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光塑性聚合物变形金刚
2019-07-20  来源:中国聚合物网

  随着智能材料的发展,人们对动画片《变形金刚》中汽车人变形的美好幻想正越来越接近科学现实。基于可逆动态共价交联的聚合物网络能对外部刺激(如温度、光、机械和化学等)做出响应,从而获得重塑性、循环利用性和环境适应性。出于光具有高时空精准性,当前研究多集中于制造具有光响应的动态柔性材料。通过引入各种类型光致变色基团对聚合物进行改性,已有少部分文献报道能够制备出拥有固-液转化能力和自愈合性质的凝胶。然而,受到现有光致变色分子结构及聚合物体系的限制,它们的制备过程较为繁琐、反应效率低、材料的功能单一、且力学性能不够好,极大地限制了材料的实际应用。

  鉴于此,朱明强教授团队利用经典的Click反应在聚三唑(PTA)聚合物体系中引入光致变色分子六芳基联咪唑基团作为可逆共价交联点(图1),合成了对可见光响应灵敏度极高的凝胶(PTA-HABI)。六芳基联咪唑(HABI)结构在受到紫外或近紫外可见光照时,两个三苯基咪唑环之间的动态共价键C-N键即会发生裂解,形成两个三苯基咪唑自由基;撤去光照,三苯基咪唑自由基将与邻近自由基快速结合,自发恢复至原有分子结构。

图1. PTA-HABI凝胶光致变形重塑的分子机理。

  PTA-HABI凝胶具有光致溶胶-凝胶转变性质。405 nm光照下,材料的初始宏观形貌完全转变为另一种形貌(图2 a),如同光塑性变形金刚一般。利用该特性,PTA-HABI还可被用作光塑性加工材料,进行光切割(图2 b)、光打孔(图2 c)、光塑形(图2 d)和光仿造(图2 e)等光加工工艺。另外,该团队进一步制备了含有六芳基联咪唑可逆共价交联网络的弹性体(干凝胶),其在可见光照下展现出优异的自愈合性能和可逆光塑性伸缩特性。

图2. 基于PTA-HABI凝胶的光塑性加工:(a) 有机凝胶的溶胶-凝胶转变;(b) 有机凝胶的光切割;(c) 有机凝胶的光打孔;(d) 有机凝胶的光重塑;(e) 有机凝胶的表面仿造;(f) 有机凝胶光塑性转变的机理图。

  基于六芳基联咪唑的共价交联网络对光照响应灵敏度极高,可被应用于不同的智能柔性材料和器件,如柔性机器人、可穿戴设备以及生物医学工程等。鉴于其简单的制备方法和优异的性能,有望被广泛应用于智能柔性设备领域。

  以上相关成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 23623-23631)。该项目由国家自然科学基金、973计划共同资助,论文第一作者为华中科技大学光电国家研究中心博士生向诗力华琼新。通讯作者为华中科技大学光电国家研究中心朱明强教授李冲教授以及普渡大学Gary J. Cheng教授

  论文题目:Photoplastic Transformation Based on Dynamic Covalent Chemistry

  全文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b06608

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