CAREER: Spatiotemporal Behavior of Stimuli- Responsive Soft Materials in Non-Equilibrium Processes

职业:非平衡过程中刺激响应软材料的时空行为

基本信息

  • 批准号:
    2048219
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 62.46万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-08-15 至 2027-07-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This Faculty Early Career Development (CAREER) grant will investigate the non-equilibrium kinetic processes of stimuli-responsive soft materials (SSMs). SSMs can change their structures, shapes or functions in response to external stimuli, such as heat, chemicals, light radiation, electrical fields, or magnetic fields. Triggered by an external stimulus, a SSM evolves from one equilibrium state to a new one through non-equilibrium kinetic processes, including diffusion, reaction, viscoelastic relaxation, etc. The kinetic processes not only determine the response speeds of SSMs, but also govern how they spatiotemporally evolve their structures, shapes and functions. Understanding the response kinetics is a key step to designing programmable SSMs, and developing emerging techniques, such as 4D printing, self-folding origami, and self-propelled robots. By unraveling the coupled kinetic processes, and the interplay of kinetics with inertia and gravity, this grant will achieve programmable reconfiguration, oscillation and locomotion of SSMs. This grant has broader impacts in education and technology. It will provide training opportunities to a diverse group of undergraduate and graduate students through teaching, researching and advising. The research work will be included into graduate classes, developed into demonstrations for K-12 outreach activities, and widely disseminated in conferences. The long-term deliverables of this grant are SSMs with programmed and dynamic stimuli-responses, which will have impacts on soft robotics, biomedical devices, energy harvesting, and reconfigurable structures.The objective of this grant is unraveling coupled non-equilibrium kinetic processes and the interplay of kinetics with inertia and gravity in SSMs to control their spatiotemporal responses. Specifically, the grant will (1) unravel coupled non-equilibrium processes to achieve programmable reconfiguration, (2) utilize coupling of kinetics and inertia to enable autonomous oscillation, and (3) harness interplay between kinetics and gravity to attain controlled locomotion. Three model SSM systems, including photo-thermally responsive shape memory polymers, photo-thermally responsive hydrogels, and humidity-responsive polymers, will be analytically modeled by a nonlinear non-equilibrium field theory, computationally simulated, and experimentally fabricated and characterized. The success of the grant will advance the field of multiphysics constitutive modeling on predicting spatiotemporal behavior of SSMs, and provide design guidelines for SSMs to achieve programmable spatiotemporal reconfiguration, and fast and dynamic motion.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该教师早期职业发展(CAREER)拨款将研究刺激响应软材料(SSM)的非平衡动力学过程。 SSM 可以响应外部刺激(例如热、化学物质、光辐射、电场或磁场)而改变其结构、形状或功能。在外部刺激的触发下,SSM通过非平衡动力学过程(包括扩散、反应、粘弹性弛豫等)从一种平衡状态演化到新的平衡状态。动力学过程不仅决定了SSM的响应速度,还决定了SSM的响应速度。它们在时空上演变其结构、形状和功能。了解响应动力学是设计可编程 SSM 和开发新兴技术(例如 4D 打印、自折叠折纸和自走式机器人)的关键步骤。通过阐明耦合动力学过程以及动力学与惯性和重力的相互作用,这项资助将实现 SSM 的可编程重新配置、振荡和运动。这笔赠款对教育和技术具有更广泛的影响。它将通过教学、研究和咨询为不同的本科生和研究生群体提供培训机会。研究工作将纳入研究生课程,发展为K-12推广活动的示范,并在会议中广泛传播。这项资助的长期成果是具有程序化和动态刺激响应的 SSM,这将对软机器人、生物医学设备、能量收集和可重构结构产生影响。这项资助的目标是阐明耦合的非平衡动力学过程和SSM 中动力学与惯性和重力的相互作用,以控制其时空响应。具体来说,该拨款将(1)解开耦合的非平衡过程以实现可编程重新配置,(2)利用动力学和惯性的耦合来实现自主振荡,以及(3)利用动力学和重力之间的相互作用来实现受控运动。三种模型 SSM 系统,包括光热响应形状记忆聚合物、光热响应水凝胶和湿度响应聚合物,将通过非线性非平衡场理论进行分析建模、计算模拟、实验制造和表征。该资助的成功将推动预测 SSM 时空行为的多物理场本构模型领域的发展,并为 SSM 实现可编程时空重构以及快速动态运动提供设计指南。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并被认为是值得的。通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估来提供支持。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Photo-induced spatiotemporal bending of shape memory polymer beams
形状记忆聚合物梁的光诱导时空弯曲
  • DOI:
    10.1088/1361-665x/ac9d75
  • 发表时间:
    2022-10-25
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Boliang Wu;Tianzhen Liu;Yuzhen Chen;Lihua Jin
  • 通讯作者:
    Lihua Jin
Photodriven Self-Excited Hydrogel Oscillators
光驱动自激水凝胶振荡器
  • DOI:
    10.1103/physrevapplied.17.014007
  • 发表时间:
    2022-01-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Chen Xuan;Yu Zhou;Yusen Zhao;Ximin He;L. Jin
  • 通讯作者:
    L. Jin
Mechanics Underpinning Phase Separation of Hydrogels
水凝胶相分离的力学基础
  • DOI:
    10.1021/acs.macromol.2c02356
  • 发表时间:
    2023-01-24
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.5
  • 作者:
    Zhou, Yu;Jin, Lihua
  • 通讯作者:
    Jin, Lihua
Spatiotemporally Programmable Surfaces via Viscoelastic Shell Snapping
通过粘弹性壳捕捉实现时空可编程表面
  • DOI:
    10.1002/aisy.202100270
  • 发表时间:
    2021-12-22
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.4
  • 作者:
    Yuzhen Chen;Tianzhen Liu;Lihua Jin
  • 通讯作者:
    Lihua Jin
Buckling of viscoelastic spherical shells
粘弹性球壳的屈曲
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    10.1266/ggs.23-00085
  • 发表时间:
    2023-10-14
  • 期刊:
  • 影响因子:
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    So Nakagawa;Toshiaki Katayama;Lihua Jin;Jiaqi Wu;Kirill Kryukov;Rise Oyachi;Junko S Takeuchi;Takatomo Fujisawa;Satomi Asano;Momoka Komatsu;Jun;Takashi Abe;Masanori Arita
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  • 期刊:
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  • 作者:
    Cong Li;Juzhuan Yang;Lu Yao;Fangling Qin;G. Hou;Bang Chen;Lihua Jin;Jianjun Deng;Yehua Shen
  • 通讯作者:
    Yehua Shen

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