본 연구에서는 하이드로젤의 열적 거동을 조절하여, 다양한 부피 변화 특성이 조절된 하이드로젤을 개발하였다. 첫번째로, 아래임계용액온도 (LCST)를 조절함으로써 빛에 의해 유발된 부피 변화의 정도를 극대화하였다. 온도감응성 poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) 하이드로젤 매트릭스 내에 분산된 ...
본 연구에서는 하이드로젤의 열적 거동을 조절하여, 다양한 부피 변화 특성이 조절된 하이드로젤을 개발하였다. 첫번째로, 아래임계용액온도 (LCST)를 조절함으로써 빛에 의해 유발된 부피 변화의 정도를 극대화하였다. 온도감응성 poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) 하이드로젤 매트릭스 내에 분산된 자성 나노 입자는 약한 강도의 가시광선의 빛에너지를 효과적으로 열에너지로 전환시켜 하이드로젤의 부피변화를 유도한다. 그러나 분 단위의 긴 조사 시간과 작은 부피변화율은 빠른 응답 또는 큰 부피변화가 필요한 응용분야에서는 제한된다. 우리는 하이드로젤의 LCST를 조절함으로써 빛에 의해 부피변화의 정도가 최대화 될 수 있음을 발견했다. 이 연구의 증거를 토대로, 우리는 PNIPAm 네트워크에 소수성 N,N’ –diethyl-acrylamide 도입함으로써 신속하고 적당한 부피변화를 나타내는 빠른 하이드로 겔을 개발할 수 있었다. 이러한 향상된 반응성으로 인해 수 초 내에 빛으로 작동되는 미세유체장치에 원격 제어가 가능한 마이크로 밸브를 개발하였다. 두번째로, 본 연구에서는 온도감응성 comb-type 하이드로젤과 광열전환물질인 자성 나노 입자를 포함하는 빠른 감응성을 보이는 광감응성 액추에이터를 개발하였다. 하이드로젤 매트릭스에 포함된 자성나노입자가 가시 광선을 흡수하고 광 에너지를 열에너지로 변환함으로써 매트릭스를 가열하고 하이드로젤의 부피변화를 유도한다는 것을 발견하였다. comb-type 하이드로젤은 빛에 의한 부피 수축 및 회복 속도를 현저하게 향상시켰다. 이를 통해 최대의 부피 변화와 최소의 응답 시간으로 굽힘 운동을 보여주는 광감응성 이중층 액추에이터를 제작할 수 있었다. 세번째로, 다양한 형태로의 제작을 통해 응용성을 극대화하기 위해 분자 내에서 빛에 의해 가교가 되는 benzophenone 유도체를 도입하였다. Comb-type 하이드로젤 제조 시 benzophenone 유도체를 혼합하여 중합하고 UV를 이용하여 가교함으로써 다양한 형태를 가지는 빠른 감응성 하이드로젤을 제조할 수 있다. 마지막으로, 단량체 조성에 따라 서로 다른 열적 거동을 나타내는 공중합체를 합성하고, 이를 통해 하이드로젤을 제조할 수 있었다. 중합도중에 공단량체를 서서히 첨가함으로써, 단량체의 조성이 다른 공중합체를 제조 할 수 있으며, 개발된 공중합체가 단량체 조성에 따라 서로 다른 열적거동을 보임으로써, 친수성-소수성 비율로 인해 넓은 온도 범위에서 거의 선형의 투과율 변화를 나타냄을 발견하였다. 합성된 온도감응성 공중 합체를 광열전환물질인 산화그래핀과 결합시킴으로써 태양빛의 강도에 반응하는 스마트 윈도우를 제작하였다.
본 연구에서는 하이드로젤의 열적 거동을 조절하여, 다양한 부피 변화 특성이 조절된 하이드로젤을 개발하였다. 첫번째로, 아래임계용액온도 (LCST)를 조절함으로써 빛에 의해 유발된 부피 변화의 정도를 극대화하였다. 온도감응성 poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) 하이드로젤 매트릭스 내에 분산된 자성 나노 입자는 약한 강도의 가시광선의 빛에너지를 효과적으로 열에너지로 전환시켜 하이드로젤의 부피변화를 유도한다. 그러나 분 단위의 긴 조사 시간과 작은 부피변화율은 빠른 응답 또는 큰 부피변화가 필요한 응용분야에서는 제한된다. 우리는 하이드로젤의 LCST를 조절함으로써 빛에 의해 부피변화의 정도가 최대화 될 수 있음을 발견했다. 이 연구의 증거를 토대로, 우리는 PNIPAm 네트워크에 소수성 N,N’ –diethyl-acrylamide 도입함으로써 신속하고 적당한 부피변화를 나타내는 빠른 하이드로 겔을 개발할 수 있었다. 이러한 향상된 반응성으로 인해 수 초 내에 빛으로 작동되는 미세유체장치에 원격 제어가 가능한 마이크로 밸브를 개발하였다. 두번째로, 본 연구에서는 온도감응성 comb-type 하이드로젤과 광열전환물질인 자성 나노 입자를 포함하는 빠른 감응성을 보이는 광감응성 액추에이터를 개발하였다. 하이드로젤 매트릭스에 포함된 자성나노입자가 가시 광선을 흡수하고 광 에너지를 열에너지로 변환함으로써 매트릭스를 가열하고 하이드로젤의 부피변화를 유도한다는 것을 발견하였다. comb-type 하이드로젤은 빛에 의한 부피 수축 및 회복 속도를 현저하게 향상시켰다. 이를 통해 최대의 부피 변화와 최소의 응답 시간으로 굽힘 운동을 보여주는 광감응성 이중층 액추에이터를 제작할 수 있었다. 세번째로, 다양한 형태로의 제작을 통해 응용성을 극대화하기 위해 분자 내에서 빛에 의해 가교가 되는 benzophenone 유도체를 도입하였다. Comb-type 하이드로젤 제조 시 benzophenone 유도체를 혼합하여 중합하고 UV를 이용하여 가교함으로써 다양한 형태를 가지는 빠른 감응성 하이드로젤을 제조할 수 있다. 마지막으로, 단량체 조성에 따라 서로 다른 열적 거동을 나타내는 공중합체를 합성하고, 이를 통해 하이드로젤을 제조할 수 있었다. 중합도중에 공단량체를 서서히 첨가함으로써, 단량체의 조성이 다른 공중합체를 제조 할 수 있으며, 개발된 공중합체가 단량체 조성에 따라 서로 다른 열적거동을 보임으로써, 친수성-소수성 비율로 인해 넓은 온도 범위에서 거의 선형의 투과율 변화를 나타냄을 발견하였다. 합성된 온도감응성 공중 합체를 광열전환물질인 산화그래핀과 결합시킴으로써 태양빛의 강도에 반응하는 스마트 윈도우를 제작하였다.
In this thesis, thermal behavior of the hydrogels was controlled to optimize the swelling property of hydrogels for the various applications. First, we found that the degree of volume change triggered by light could be maximized by adjusting the lower critical solution temperature (LCST) of the ...
In this thesis, thermal behavior of the hydrogels was controlled to optimize the swelling property of hydrogels for the various applications. First, we found that the degree of volume change triggered by light could be maximized by adjusting the lower critical solution temperature (LCST) of the hydrogels. Iron oxide nanoparticles dispersed within a thermally responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) hydrogel matrix effectively convert the photo energy of visible light of modest intensity into thermal energy, providing the efficient means to trigger changes in volumetric swelling of hydrogels. However, long irradiation time (on the order of minutes) and modest volume change limit their applications that need fast response and/or large volume change. In this work, we found that the degree of volume change triggered by light could be maximized by adjusting the lower critical solution temperature (LCST) of the hydrogels. On the basis of the evidence in this investigation, we can develop highly responsive hydrogels that show rapid and significant light-induced volume change, which could be achieved by incorporating a hydrophobic N,N-diethylacrylamide moiety in the PNIPAm network. This enhanced responsiveness led to the successful application of this material in a remote-controllable microvalve for microfluidic devices operated by light illumination within a few seconds. Second, we developed rapid responsive photo-actuators with temperature responsive comb-type hydrogels and photothermal magnetite nanoparticles (MNP). We found that MNPs loaded in the hydrogels matrix can absorb visible light and convert photo energy into thermal energy, thereby heating the matrix and inducing volume shrinkage of the hydrogels. The comb-type hydrogel exhibited significantly enhanced light-induced volume shrinkage and rapid recovery. We fabricated photothermally driven bilayer-type photo-actuators that show reliable bending motion with maximized volume change and minimized response time. Lastly, we also found that the developed copolymers exhibit different thermal behaviors according to the monomer composition, yielding the nearly linear transmittance change over a wide temperature range due to the gradient hydrophilic−hydrophobic balances. We prepared multicomposition copolymers having a compositional gradient. By slow addition of the monomers in the reaction mixture during free-radical polymerization, the blend of copolymers with each polymer having different compositions of the monomers could be prepared. We found that the developed copolymers exhibit different thermal behaviors according to the monomer composition, yielding the nearly linear transmittance change over a wide temperature range due to the gradient hydrophilic−hydrophobic balances. By combining prepared copolymers with photothermal graphene oxide as a heat transducer, we demonstrated gradual solar control of the smart window in response to sunlight intensity in outdoor testing.
In this thesis, thermal behavior of the hydrogels was controlled to optimize the swelling property of hydrogels for the various applications. First, we found that the degree of volume change triggered by light could be maximized by adjusting the lower critical solution temperature (LCST) of the hydrogels. Iron oxide nanoparticles dispersed within a thermally responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) hydrogel matrix effectively convert the photo energy of visible light of modest intensity into thermal energy, providing the efficient means to trigger changes in volumetric swelling of hydrogels. However, long irradiation time (on the order of minutes) and modest volume change limit their applications that need fast response and/or large volume change. In this work, we found that the degree of volume change triggered by light could be maximized by adjusting the lower critical solution temperature (LCST) of the hydrogels. On the basis of the evidence in this investigation, we can develop highly responsive hydrogels that show rapid and significant light-induced volume change, which could be achieved by incorporating a hydrophobic N,N-diethylacrylamide moiety in the PNIPAm network. This enhanced responsiveness led to the successful application of this material in a remote-controllable microvalve for microfluidic devices operated by light illumination within a few seconds. Second, we developed rapid responsive photo-actuators with temperature responsive comb-type hydrogels and photothermal magnetite nanoparticles (MNP). We found that MNPs loaded in the hydrogels matrix can absorb visible light and convert photo energy into thermal energy, thereby heating the matrix and inducing volume shrinkage of the hydrogels. The comb-type hydrogel exhibited significantly enhanced light-induced volume shrinkage and rapid recovery. We fabricated photothermally driven bilayer-type photo-actuators that show reliable bending motion with maximized volume change and minimized response time. Lastly, we also found that the developed copolymers exhibit different thermal behaviors according to the monomer composition, yielding the nearly linear transmittance change over a wide temperature range due to the gradient hydrophilic−hydrophobic balances. We prepared multicomposition copolymers having a compositional gradient. By slow addition of the monomers in the reaction mixture during free-radical polymerization, the blend of copolymers with each polymer having different compositions of the monomers could be prepared. We found that the developed copolymers exhibit different thermal behaviors according to the monomer composition, yielding the nearly linear transmittance change over a wide temperature range due to the gradient hydrophilic−hydrophobic balances. By combining prepared copolymers with photothermal graphene oxide as a heat transducer, we demonstrated gradual solar control of the smart window in response to sunlight intensity in outdoor testing.
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