科研進展簡報

可自修複的光塑性彈性體和光驅動器

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29日    浏覽:333次

        典型的交聯聚合物雖然有着橡膠般的彈性但不具有線性聚合物的熱塑性;而熱響應動态共價交聯的聚合物既擁有較好的彈性又擁有一定的熱塑性,從而使得熱加工成為可能。與熱加工相比,光加工具有很明顯的優勢,因為光的波長、強度、光束形狀等可以進行多重調節,便于實現精準與遠程控制,具有廣泛的應用前景。在聚合物網絡結構中引入光響應的動态共價交聯網絡,不僅能實現材料的光加工,還能夠構造出光響應智能彈性體。智能彈性體通過感知光照刺激,改變自身結構,從而實現自愈合、變形和移動等傳統聚合物材料所無法獲得的功能。

        近日,華中科技大學武漢光電國家研究中心朱明強教授團隊率先提出“光塑性”的概念,通過設計動态與靜态雙重交聯網絡結構(圖1 a),制備出了“光塑性”聚氨酯彈性體(PPU)。PPU中的動态交聯點是有着可逆光響應特性的六芳基聯咪唑(HABI)基團,靜态交聯網絡為甘油結構。HABI的光緻可逆動态共價鍵C-N鍵(圖1 b)賦予了PPU彈性體優異的自愈和性能(圖1 c),PPU彈性體也因此獲得了不同于熱塑性的光塑性,在可見光照、負載的雙重作用下表現出可逆光緻伸縮特性,相當于一個彈性模量可光控調節的彈簧(圖1 d)。


                                             

圖1. PPU彈性體的光塑性機理及自修複和光控彈簧行為:(a) PPU材料的雙網絡結構示意圖;(b) HABI動态共價鍵的光緻可逆裂解與重組;(c) 可見光照下的自愈合行為;(d) 可見光和負載雙重作用下的光塑性形變。

         

        另外,PPU彈性體材料展現出有趣的趨光性,在有、無負載的條件下,來自于同一側的光照可讓彈性體分别表現出背光性和向光性(圖2 a)。基于此,該團隊設計出一種十字花型仿生驅動器,在組合運用光照和拉力後,完成了十字花的光控開、合的動作(圖2 b)。

圖2. 基于光塑性的智能驅動:(a) PPU彈性體的趨光性;(b) 仿生十字花的光驅運動。

 

        光塑性材料允許材料的非接觸式遠程加工控制,為功能材料的加工制造提供了一種新的可能。同時,作為驅動裝置,光塑性材料的設計簡潔精巧,功能強大多樣,能夠為未來智能材料領域的發展提供新的思路。

 

       以上研究成果以題 為“Photoplastic Self-Healing Polyurethane Springs and Actuators”論文發表在Chemistry of Materials (Chem. Mater. 2019, 31, 5081-5088)。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。通訊作者為華中科技大學光電國家研究中心朱明強和李沖。

 


      全文鍊接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b00983