Thermally re-configurable soft actuators based on agarose-PNIPAm double networkgels

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2021-08-24
Department
Major/Subject
Engineering Physics
Mcode
SCI3056
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
28+8
Series
Abstract
Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) is a thermoresponsive polymer that has been used as a smart material for many applications ranging from actuators to cell culturing scaffolds and smart displays. Smart materials exhibit a change in one of their properties under external stimuli, like temperature, pH or electric field. At its lower critical solution temperature (LCST), typically around 35degreeC, the volume of PNIPAm gels changes drastically: when temperature is raised higher than the LCST, it shrinks and when below the LCST, it expands. This phenomenon allows smart actuators to be made by using, for example, a bi-layer structure. The bi-layer will show bending, actuation, as the different layers of the actuator undergo mismatched deformations upon temperature changes. In this study we demonstrate a thermally tunable bi-layer smart actuator based on PNIPAm, consisting of a layer of PNIPAm-agarose double network hydrogel and a passive layer of polydimethylsiloxane (PDMS). The agarose part of the network initially restricts the swelling and shrinking of PNIPAm close to its LCST. Only when the temperature of the bi-layer is raised to above 60degreeC, the agarose network will be dissolved, allowing the PNIPAm network to expand and shrink to a larger degree. This allows an increased range of deformation and thus the trainability of a material by an external stimulus. The geometry and dimensions of the bi-layer structures were investigated and optimized for fast kinetics and strong change during the "training" process. The biggest increase in bending curvature of up to 5mm−1 was observed in the bi-layers with a total thickness of 320microm, and three different types of shape transition, i.e., bending, rolling, and helix formation, were observed upon the training process.

Poly(N-isopropyyliakryyliamidi) (PNIPAm) on termoresponsiivinen polymeeri, jota on käytetty älykkäänä materiaalina monissa sovelluksissa vaihdellen toimilaitteista soluviljelyalustoihin ja älynäyttöihin. Älykkäät materiaalit osoittavat muutoksen yhdessä niiden ominaisuuksissaan ulkoisen ärsykkeen johdosta, kuten lämpötilan, pH:n tai sähkökentän johdosta. PNIPAm:in alemmassa kriittisessä liuoslämpötilassa (LCST), noin 35asteC, PNIPAm:in tilavuus muuttuu merkittävästi: kun lämpötila nostetaan LCST:tä korkeammalle, se kutistuu ja kun se lasketaan LCST:n alapuolelle, se laajenee. Tämä ilmiö mahdollistaa älykkäiden toimilaitteiden valmistamisen käyttäen esimerkiksi kaksikerroksista rakennetta. Kaksikerrosrakenne taipuu, osoittaa liikettä, kun toimilaitteen eri kerrokset muuttavat muotoaan eri tavalla lämpötilan vaihdellessa. Tässä tutkimuksessa esittelemme termisesti säädettäviä, älykkäitä kaksikerrostoimilaitteita, jotka perustuvat kerrokseen PNIPAm-agaroosi tuplaverkkohydrogeeliä ja passiiviseen kerrokseen polydimetyylisiloxaania (PDMS). Tuplaverkon agaroosiosa rajoittaa aluksi PNIPAMin laajentumista ja kutistumista LCST:n lähellä. Kun kaksikerrosrakenteen lämpötila nostetaanyli 60asteC:een, agaroosiverkko liukenee, sallien PNIPAm-verkon suuremman laajentumisen ja kutistumisen. Tämä sallii suuremman muodonmuutoksen ja materiaalin koulutettavuuden ulkoisen ärsykkeen avulla. Kaksikerrosrakenteen geometriaa ja mittasuhteita tarkasteltiin ja optimoitiin nopean kinetiikan ja suuren muutoksen aikaansaamiseksi "koulutusprosessissa. Suurin kasvu taipumisessa, joka nähtiin kaksikerrosrakenteissa, oli 5 mm − 1 320 mikrom paksuiselle kaksikerrosrakenteelle ja kolmea eri muodonmuutostyyppiä, i.e., taipuminen, rullaaminen ja kierteinen muotoutuminen, nähtiin koulutusprosessissa.
Description
Supervisor
Ikkala, Olli
Thesis advisor
Zhang, Hang
Keywords
PNIPAm, smart actuator, double network, agarose, thermoresponsive
Other note
Citation