Abstract A rapidly formed supramolecular polypeptide–DNA hydrogel was prepared and used for in situ multilayer three‐dimensional bioprinting for the first time. By alternative deposition of two complementary bio‐inks, designed structures can be printed. Based on their healing properties and high mechanical strengths, the printed structures are geometrically uniform without boundaries and can keep their shapes up to the millimeter scale without collapse. 3D cell printing was demonstrated to fabricate live‐cell‐containing structures with normal cellular functions. Together with the unique properties of biocompatibility, permeability, and biodegradability, the hydrogel becomes an ideal biomaterial for 3D bioprinting to produce designable 3D constructs for applications in tissue engineering.

The incorporation of molecular switches in organic structures is of great interest in the chemical design of stimuli-responsive materials that mimic the complex functions of living systems. Merocyanine dyes that convert to spiropyran moieties upon exposure to visible light have been extensively studied as they can be incorporated in hydrated covalent networks that will expel water when this conversion occurs and induce a volumetric shrinkage. We report here on a sulfonate-based water-soluble photoswitch that, in contrast to the well-known systems, triggers a volumetric expansion in hydrogels upon exposure to photons. Contraction is in turn observed under dark conditions in a highly reversible manner. The novel behavior of the photoswitch incorporated in the covalent network was predicted by coarse-grained simulations of the system's chemical structure. Using pH control and polymeric structures that differ in lower critical solution temperature, we were able to develop hydrogels with highly tunable volumetric expansion. The novel molecular function of the systems developed here led to materials with the negative phototaxis observed in plants and could expand the potential use of hydrogels as sensors, soft robots, and actuators.

Graphical Abstract A supramolecular double network hydrogel is presented by physical interpenetration of DNA and cucurbit[8]uril networks. In addition to exhibiting an increase in strength and thermal stability, the double network hydrogel possesses excellent properties such as stretchability, ductility, shear-thinning, and thixotropy. Moreover, it is enzymatically responsive to both nuclease and cellulase, as well as small molecules, showing great potential as a new soft material scaffold.

Reconfiguring and programming the action of a magnetically driven robot using light.

Abstract. Highly oxygenated organic molecules (HOMs) can participate in new particle formation (NPF) and enhance growth of newly formed particles partially because of their low volatility. Previous studies have shown formation of HOMs via autoxidation reactions of RO2 intermediates generated by OH-initiated oxidation of anthropogenic volatile organic compounds (VOCs). It was also suggested that multi-generation OH oxidation could be an important source for aromatics-derived HOMs. However, our understanding of the generation of aromatics-derived HOMs is still insufficient, especially of their formation mechanisms, which determine molar yields of HOMs and are essential to the establishment of global chemical box models related to HOMs. In this study, with a potential aerosol mass oxidation flow reactor (PAM OFR), two series of OH-initiated oxidation experiments of 1,3,5-trimethylbenzene (1,3,5-TMB) were conducted to investigate the formation of aromatics-derived HOMs. In the first series, the evolution of oxidation products of 1,3,5-TMB in an OH exposure range of (0.5–5.0) × 1010 molecules cm−3 s, equivalent to an OH exposure of 0.7–6.9 h at an OH concentration ([OH]) of 2×106 molecules cm−3, was investigated by a nitrate-based chemical ionization mass spectrometer and a Vocus proton-transfer-reaction mass spectrometer, indicating significant secondary OH chemistry during the aging of stabilized first-generation oxygenated products within an intraday OH exposure and formation of various HOMs with lower double-bond equivalence (DBE). In addition, organonitrates, formed after the introduction of NOx into the reaction systems, further confirmed the existence of such secondary reactions. The second series of experiments was conducted with same residence time but much lower [OH], which also shows the generation of multi-generation HOMs with an [OH] as low as 1.06×107 molecules cm−3 for 53 s, i.e., an OH exposure of around 5.86×108 molecules cm−3 s. Our study suggests the important role of secondary OH chemistry in the oxidation of aromatics if these oxygenated products survived long enough in the ambient atmosphere and elucidates detailed formation mechanisms of certain HOM products.

ABSTRACT Dielectric elastomer actuators (DEAs) are widely used in many fields such as bionic robotics and wearable electronics. Due to a high elastic modulus and a poor flexibility, pure sodium alginate (SA) film constrains the deflection of DEA and is not suitable for using as the electrode. By incorporating the plasticizer of glycerol and the conductive fillers of oxidized multi‐walled carbon nanotubes (MWCNTs), the resultant MWCNT/SA composite film exhibits a high flexibility and a high electrical conductivity (129 Ω·sq. −1 ), enabling it as the electrode to drive the dielectric matrix of VHB4910 for out‐of‐plane actuations. Driven by a relatively low electric field of 20.8 V/μm, the MWCNT/SA electrode DEA presents a desired areal strain of 3.8%. Long‐term actuations reveal that the MWCNT/SA electrode DEA exhibits very stable electromechanical behaviors with a relative displacement shift (RDS) of 19.8% over 500 cycles, which is far lower than the commercial silicone electrode DEA, whose RDS is 127.8% under the same driven conditions.

The design of synthetic soft matter capable of emulating the complex behaviors of living organisms, such as sensing and adapting to their environment, remains an important challenge in developing biomimetic materials. Functionalized hydrogels are ideal candidates for such materials since they are highly responsive to their environment and can be operated in water. In this work, we investigate a hybrid bonding hydrogel composed of peptide amphiphile supramolecular nanofibers covalently attached to a photoresponsive network, in which high-aspect-ratio ferromagnetic nanowires are aligned along the length of the sample, designed to swim under oscillating magnetic fields. This hybrid hydrogel swimmer can autonomously swim toward a light source by utilizing photoinduced interactions between supramolecular and covalent networks reminiscent of phototactic swimming in living systems. Using a combination of experimental techniques and a continuum model incorporating photochemistry, magnetoelasticity, and hydrodynamics, we explain the swimming mechanism and predict phototactic behavior. Our work highlights the potential role of hybrid bonding polymers, which leverage the interplay between supramolecular assemblies and covalent networks. We demonstrate how these polymers can be tailored to react dynamically to their environment, paving the way for developing intelligent and autonomous robotic systems.

Micro actuators are widely used in NEMS/MEMS for control and sensing. However, most are designed with suspended beams anchored at fixed points, causing two main issues: restricted actuated stroke and movement modes, and reduced lifespan due to fatigue from repeated beam deformation, contact wear and stiction. Here, we develop an electrostatic in-plane actuator leveraging structural superlubric sliding interfaces, characterized by zero wear, ultralow friction, and no fixed anchor. The actuator features a micro-scale graphite flake in structural superlubric contact with silicon dioxide tracks, reducing friction from edge defects. Using the charge injection method, the structural superlubric actuator not only achieves a maximum relative actuation stroke of 82.3% of the flake size by applying voltage to buried electrodes—3.4 times larger than previously reported, but also enables controllable reciprocating actuation by adjusting the form of the bias voltage. Additionally, no visible wear was observed at the structural superlubric interface after over 10,000 sliding cycles, indicating robust reliability. Our work presents a design concept for micro actuators with high performance and durability, potentially guiding the development of many structural superlubric micro-devices. Large stroke, long lifespan and durability are challenging in electrostatic in-plane micro actuators. Here, the authors exploit the structural superlubric sliding interfaces of a micro-scale graphite flake and the silicon dioxide track to achieve this goal.

ABSTRACT Nanopore sequencing, a third-generation sequencing technology, has revolutionized the gene sequencing industry with its advantages of long reads, fast speed, real-time sequencing and analysis, and potential in detecting base modifications. This technology allows researchers to sequence longer DNA fragments in a single read, providing more comprehensive genomic information compared to previous methods. Nanopore sequencing operates on electrical signals generated by a nanopore embedded in a membrane separating two electrolyte-filled chambers. When single-stranded DNA (ssDNA) passes through the nanopore, it creates variations in the current that correspond to different DNA bases. By analyzing these current fluctuations with machine learning algorithms, the DNA sequence can be determined. In this study, we introduced several improvements to nanopore sequencing, including nanopore local chemistry sequencing, novel motor and pore proteins, chip design, and basecalling algorithms. Our new nanopore sequencing platform, CycloneSEQ, demonstrated long-duration sequencing (107 hours) on a single chip with high yield (>50 Gb). In human genomic DNA sequencing, CycloneSEQ was able to produce long reads with N50 33.6 kb and modal identity 97.0%. Preliminary findings on human whole-genome de novo assembly, variant calling, metagenomics sequencing, and single-cell RNA sequencing have further highlighted CycloneSEQ’s potential across different areas of genomics.