科研進展簡報

光塑性聚合物變形金剛

來源:武漢光電國家研究中心    作者:能源光子學功能實驗室    發布時間:2019年07月25日    浏覽:313次

 

        随着智能材料的發展,人們對動畫片《變形金剛》中汽車人變形的美好幻想正越來越接近科學現實。基于可逆動态共價交聯的聚合物網絡能對外部刺激(如溫度、光、機械和化學等)做出響應,從而獲得重塑性、循環利用性和環境适應性。出于光具有高時空精準性,當前研究多集中于制造具有光響應的動态柔性材料。通過引入各種類型光緻變色基團對聚合物進行改性,已有少部分文獻報道能夠制備出擁有固-液轉化能力和自愈合性質的凝膠。然而,受到現有光緻變色分子結構及聚合物體系的限制,它們的制備過程較為繁瑣、反應效率低、材料的功能單一、且力學性能不夠好,極大地限制了材料的實際應用。

        鑒于此,朱明強教授團隊利用經典的Click反應在聚三唑(PTA)聚合物體系中引入光緻變色分子六芳基聯咪唑基團作為可逆共價交聯點(圖1),合成了對可見光響應靈敏度極高的凝膠(PTA-HABI)。六芳基聯咪唑(HABI)結構在受到紫外或近紫外可見光照時,兩個三苯基咪唑環之間的動态共價鍵C-N鍵即會發生裂解,形成兩個三苯基咪唑自由基;撤去光照,三苯基咪唑自由基将與鄰近自由基快速結合,自發恢複至原有分子結構。

                 

                           

圖1. PTA-HABI凝膠光緻變形重塑的分子機理。

 

        PTA-HABI凝膠具有光緻溶膠-凝膠轉變性質。405 nm光照下,材料的初始宏觀形貌完全轉變為另一種形貌(圖2 a),如同光塑性變形金剛一般。利用該特性,PTA-HABI還可被用作光塑性加工材料,進行光切割(圖2 b)、光打孔(圖2 c)、光塑形(圖2 d)和光仿造(圖2 e)等光加工工藝。另外,該團隊進一步制備了含有六芳基聯咪唑可逆共價交聯網絡的彈性體(幹凝膠),其在可見光照下展現出優異的自愈合性能和可逆光塑性伸縮特性。

圖2. 基于PTA-HABI凝膠的光塑性加工:(a) 有機凝膠的溶膠-凝膠轉變;(b) 有機凝膠的光切割;(c) 有機凝膠的光打孔;(d) 有機凝膠的光重塑;(e) 有機凝膠的表面仿造;(f) 有機凝膠光塑性轉變的機理圖。

 

        基于六芳基聯咪唑的共價交聯網絡對光照響應靈敏度極高,可被應用于不同的智能柔性材料和器件,如柔性機器人、可穿戴設備以及生物醫學工程等。鑒于其簡單的制備方法和優異的性能,有望被廣泛應用于智能柔性設備領域。

        以上相關成果以題為“Photoplastic Transformation Based on Dynamic Covalent Chemistry”論文在線發表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 23623-23631)。該項目由國家自然科學基金、973計劃共同資助,論文第一作者為華中科技大學光電國家研究中心博士生向詩力和華瓊新。通訊作者為華中科技大學光電國家研究中心朱明強教授和李沖教授以及普渡大學Gary J. Cheng教授。

 

全文鍊接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b06608