科研新聞

工學院于海峰課題組在液晶與高分子複合材料的光驅動智能仿生應用方面取得進展

2019-02-19

利用智能響應材料制備的軟體機器人相比于傳統的剛性裝置具有更高的形變靈活度與環境適應性,更貼近自然界中生物體的運動方式,因此被廣泛應用于仿生領域。光作爲一種清潔能源,其波長,強度,光照位點都可以被調整,因而光響應性器件可以實現遠程、非接觸式的精確控制。但是已有的光驅動器件受限于原料的性質,機械強度低,形變速度較慢,回複過程需要額外刺激等特點局限了其進一步的應用。

北京大學工学院于海峰课题组提出了利用机械强度高的聚合物薄膜来承载具有光响应性能的分子的新方法。他们对低密度聚乙烯基底进行单轴摩擦处理,并涂布具有室温光致液化效应的偶氮苯液晶小分子,从而实现各向异性的光致弯曲。而停止光照后,摩擦处理产生的沟槽可以使液晶小分子在回复固态的过程中发生重新取向,因此整个光致形变是可重复的。该课题组进一步利用这种双层膜实现了螺旋形变,模仿蟒蛇捕食的方式,实现对物体的抓取及释放(J. Mater. Chem. C 2018, 6, 10815-10821)。

 
图1、图2 复合材料器件模拟蟒蛇捕食不同形状猎物

然而利用小分子的光致液化效应仍存在局限,一是液化后的光响应层易脱离基底,二是形变的回复仍然需要5s左右。因此,该课题组提出将偶氮苯液晶聚合物作为光响应层,利用其光致体积膨胀的性质来实现室温下的快速可逆形变。相应地,基底也替换成与光响应层结合更紧密并且具有更强机械性能的Kapton薄膜。对于这种更稳定的双层膜驱动器件,其形变与回复都可以控制在1s左右,从而实现对于植物树叶昼夜节律现象的模拟:在光照条件下(模拟日出状态),成对的双层膜张开;当光照停止(模拟日落状态),模拟树叶闭合(J. Mater. Chem. C 2019, 7, 622-629)。

 
图3、图4 复合材料器件模拟植物树叶昼夜节律现象

在此基础上,采用压电双晶片驱动策略设计合成了基于偶氮苯光敏液晶聚合物网络层及聚酰亚胺薄膜基质层的双层复合材料,具备光致分子间空隙增加、体积膨胀,宏观上表现为紫外光致双层薄膜结构迅速向聚酰亚胺薄膜基质层弯曲,撤去光源形态快速恢复的特性。通过光照射频率、强度、照射位点及微型装置长宽比的调控,这种快速可逆的形变可以演变成周期性的拍打,表现出快速、连续、持久、方向可控的优异性能,达到类似于海豚的尾鳍和胸鳍的功效。基于此,该课题组设计了一种液面驱动器,可以通过光控到达液面的任意位置。此外还评估了作为运输过程中装载、运输、转向、卸载、返航这五个重要过程中的表现。提出了船身结构流水型设计、结构重心有待进一步提高,有望应用于微型化运输系统。 (doi:10.1002/anie.201811808)。


图5 液晶与高分子复合材料模拟海豚游泳的示意图


图6 器件用于小型物体运输的装载、运输、转向、卸载、返航过程

论文的第一作者分别为北京大學在读博士生胡婧、李晓和马树灯,于海峰研究員是所有論文的唯一通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金的資助。

 

1Ma, Shudeng; Li, Xiao; Huang, Shuai; Hu, Jing Hu; Yu, Haifeng * "A Light-Activated Polymer Composite Enables On-Demand Photocontrolled Motion: Transportation at the Liquid/Air Interface", Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201811808 or Angew. Chem. 2019, 10.1002/ange.201811808

2Li, Xiao; Ma, Shudeng; Hu, Jing; Ni, Yue; Lin, Zhiqun; Yu, Haifeng*, “Photo-activated Bimorph Composites of Kapton and Liquid-Crystalline Polymer Towards Biomimetic Circadian Rhythms of Albizia Julibrissin Leaves”, Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7(3), 622-629. (DOI: 10.1039/C8TC05186K)

3Hu, Jing; Li, Xiao Li; Ni, Yue; Ma, Shudeng; Yu, Haifeng*, Programmable and biomimetic photo-actuator: a composite of photo-liquefiable azobenzene derivative and commercial plastic film, Journal of Materials Chemistry C 2018, 6,10815-10821  (DOI: 10.1039/C8TC03693D)

 

该工作被著名化学网站Chemistry Views 作为 highlight 介绍:https://www.chemistryviews.org/details/ezine/11137203/Light-Controlled_Polymer_Swims_Like_a_Dolphin.html