Hydrogel Sensors and Actuators pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Arndt, Karl-Friedrich 编

出品人:

页数:272

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价格:$ 145.77

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isbn号码:9783540756446

丛书系列:

图书标签:

• Hydrogel
• Sensors
• Actuators
• Biomaterials
• Smart Materials
• Polymer Chemistry
• Materials Science
• Chemical Sensors
• Biomedical Engineering
• Soft Robotics
• Stimuli-Responsive Materials

沉浸于新材料的无限可能：一篇关于高分子水凝胶在传感与驱动领域的深度探索 本书并非探讨高分子水凝胶（Hydrogel）在传感与驱动应用方面的具体著作。相反，它将引领读者踏上一段更为宏观且基础性的知识探索之旅，聚焦于支撑这些先进功能材料背后至关重要的化学、物理以及工程学原理。我们将深入剖析高分子水凝胶的分子设计、制备方法、结构调控以及它们与外部刺激（如温度、pH、光、电场、生物分子等）相互作用的本质机制。通过理解这些基础科学的基石，读者将能深刻洞察高分子水凝胶为何能够展现出令人惊叹的传感与驱动潜力，并为未来创新性应用的设计与开发奠定坚实的理论基础。 第一部分：高分子水凝胶的构建基石——分子设计与合成策略 本部分将首先奠定高分子水凝胶的分子层面的理解。我们将从高分子链的构成入手，详细介绍构成水凝胶骨架的各类单体，包括亲水性单体、交联单体以及功能性单体。例如，我们会讨论丙烯酰胺、丙烯酸、N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）等常用单体为何具有优异的吸水性和可调控性，以及它们在不同应用场景下的适用性。 交联网络是水凝胶实现三维结构稳定性的关键。我们将深入探讨不同类型的交联方式，包括化学交联（如自由基聚合、缩聚、加成聚合）和物理交联（如氢键、离子键、疏水作用、结晶区）。针对化学交联，我们会分析各种引发剂、催化剂的选择对聚合速率、交联密度以及最终水凝胶网络结构的影响。对于物理交联，我们将阐述不同作用力如何形成可逆或不可逆的交联点，以及这些作用力对水凝胶机械性能和响应性的贡献。 功能性单体的引入是赋予水凝胶特定传感或驱动功能的起点。本部分将详细介绍如何通过共聚反应将具有特定识别基团（如抗体、DNA、酶）或响应性基团（如pH敏感基团、温度敏感基团、氧化还原敏感基团）的单体引入到水凝胶骨架中。我们将分析这些功能单元的化学结构、空间位阻以及它们与主链的相互作用对整体材料性能的影响。例如，引入羧基或氨基单体如何使其对pH变化产生明显的溶胀或收缩行为，而引入光敏基团又如何使其在外加光照下发生结构或体积的变化。 此外，本部分还将探讨先进的合成策略，如可控自由基聚合（RAFT、ATRP）、点击化学以及生物偶联技术。这些技术能够实现对聚合物链的精确控制，包括分子量、链拓扑结构（线性、星形、梳状）以及交联网络的均匀性，从而为设计具有特定微观结构和宏观性能的水凝胶提供了更多可能性。例如，通过RAFT聚合精确控制聚合物链的长度和分散度，可以优化水凝胶的渗透性和机械强度。 第二部分：结构与性能的精妙平衡——微观结构调控与宏观特性 理解了水凝胶的分子构成，接下来我们将深入探讨其微观结构如何直接影响其宏观性能。本部分将重点关注水凝胶内部的孔隙结构、链缠结以及溶剂化状态。 孔隙结构是水凝胶内部溶剂分子和溶质分子扩散的关键通道。我们将讨论如何通过调整单体浓度、交联密度、聚合温度等合成参数来控制水凝胶的孔径大小、孔隙率以及孔隙连通性。这对于理解水凝胶作为传感器的“筛分效应”以及作为药物递送载体的释放速率至关重要。例如，高交联密度通常导致较小的孔隙，从而限制了较大分子的扩散，这在选择性传感和靶向递送中具有重要意义。 链缠结和链段运动性是影响水凝胶机械性能和响应速率的关键因素。本部分将从聚合物物理学的角度，分析高分子链在水凝胶网络中的排列方式、缠结点的密度以及链段的自由度。我们将介绍如何通过改变聚合物链的长度、柔性以及交联网络密度来调控水凝胶的拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量以及韧性。例如，增加聚合物链长度和交联密度通常可以提高水凝胶的机械强度，但可能牺牲其延展性。 溶剂化状态，即水凝胶内部溶剂分子与聚合物链之间的相互作用，是影响水凝胶溶胀行为和体积变化的根本原因。我们将深入分析氢键、范德华力、静电作用等分子间作用力如何影响溶剂分子在水凝胶网络中的分布和结合。这直接关系到水凝胶在不同溶剂环境下的溶胀比以及在响应性刺激下的体积变化幅度。 此外，本部分还将引入结构表征技术，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、小角X射线散射（SAXS）以及核磁共振（NMR）。这些技术能够提供关于水凝胶微观结构、孔隙分布以及链运动性的直观和定量信息，为理解结构-性能关系提供实验证据。 第三部分：感知世界，响应变化——水凝胶的刺激响应机理 本部分将聚焦于水凝胶如何“感知”外部环境的变化，并将其转化为可测量的响应。我们将深入剖析各种刺激源与水凝胶分子结构之间的相互作用机制，以及这些相互作用如何驱动水凝胶的体积变化、形变或光学性质改变。 温度响应： 以N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）基水凝胶为例，我们将详细解释其在临界溶胀温度（LCST）附近的相变行为。温度升高导致聚合物链的疏水性增强，减少了与水的相互作用，从而引起水凝胶收缩。我们将探讨如何通过共聚引入其他单体来调节LCST，以及这种温度响应在热敏开关和温控药物释放中的应用潜力。 pH响应： 具有酸性（如羧基）或碱性（如氨基）官能团的水凝胶对pH变化表现出显著的溶胀或收缩行为。当pH接近官能团的pKa时，质子化/去质子化状态的改变导致聚合物链间静电斥力或吸引力的变化，从而影响溶胀度。本部分将分析不同pH响应性官能团的引入如何影响响应的范围和速率，以及其在pH传感器和pH响应性药物递送系统中的应用。 溶剂响应： 水凝胶在不同极性、离子强度或特定溶剂（如有机溶剂）中的溶胀行为差异，源于聚合物链与溶剂分子之间的溶解度参数和相互作用力的改变。我们将讨论如何设计具有特定溶剂选择性的水凝胶，以及这种特性在溶剂分离和响应性过滤中的潜在应用。 光响应： 引入光敏基团（如偶氮苯、螺吡喃）的水凝胶可以在特定波长的光照下发生可逆的构象变化，从而引起体积或形状的改变。我们将深入研究光敏基团的光化学反应机理，以及如何通过调整光敏基团的种类、浓度和空间排布来控制响应的速率和幅度。这为光控微型机器人和光响应性生物材料提供了理论基础。 电场/磁场响应： 将导电性聚合物或磁性纳米颗粒引入水凝胶，可以使其对电场或磁场产生响应。电场诱导的离子迁移或偶极子取向可以驱动水凝胶形变，而磁场则可以通过磁性颗粒的受力来引起宏观形变。我们将探讨这些响应的驱动机制以及在柔性电子器件和磁响应驱动器中的潜在应用。 生物分子响应： 通过将生物识别分子（如抗体、DNA、酶）共价连接或物理吸附到水凝胶骨架上，可以构建对特定生物分子浓度变化敏感的水凝胶。当目标生物分子与识别位点结合时，会引起水凝胶的体积变化、荧光信号改变或透明度变化，从而实现高灵敏度的生物传感。 第四部分：从原理到实践的桥梁——水凝胶在基础科学研究中的作用 尽管本书并非直接介绍水凝胶在传感与驱动领域的具体应用，但它所阐述的基础科学原理，对于理解和推动这些应用的发展至关重要。本部分将从更广阔的视角，探讨高分子水凝胶作为一种多功能平台，在基础科学研究中扮演的关键角色。 模拟生物环境： 水凝胶高含水量、良好的生物相容性以及可调控的物理化学性质，使其成为模拟细胞外基质（ECM）的理想材料。通过构建具有特定机械性能、孔隙结构和生化信号的水凝胶，研究人员可以更真实地模拟细胞在体内的生长、迁移和分化环境，从而深入研究细胞行为和疾病发生机制。 构建仿生系统： 许多生物体内的过程都依赖于对外部刺激的精确响应和高效的能量转换。水凝胶的刺激响应性和驱动能力，使其成为构建仿生肌肉、仿生皮肤和仿生机器人的理想材料。通过模仿生物体的结构和功能，研究人员可以开发出具有柔韧性、自修复能力和环境适应性的新型仿生器件。 发展新型分离与过滤技术： 水凝胶的孔隙结构和选择性吸附能力，使其在物质分离和纯化领域具有巨大的应用潜力。例如，响应性水凝胶可以用于选择性地吸附或释放特定离子、小分子或生物大分子，从而开发出高效的污染物去除技术和精细化学品的分离方法。 作为模型体系研究高分子物理： 水凝胶的溶胀行为、相变动力学以及网络动力学，为研究高分子链的聚集、链运动以及相行为提供了独特的模型体系。对水凝胶的研究不仅能够增进我们对高分子材料基本原理的理解，也能为设计和合成具有特定性能的新型高分子材料提供指导。 结语 本书将通过严谨的理论阐述、深入的机理分析以及对前沿研究方法的介绍，为读者构建一个关于高分子水凝胶分子设计、结构调控与刺激响应行为的全面认知框架。我们相信，掌握了这些基础科学的精髓，读者将能更深刻地理解高分子水凝胶在传感与驱动等前沿领域的巨大潜力，并为未来在该领域的设计、研究和创新奠定坚实的知识基础。这将是一次关于新材料内在逻辑的深度探索，一次对未来无限可能的启迪之旅。

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