近紅外光響應形狀記憶聚合物因其遠程控制等優勢在光驅動器、光控微流體器件及生物醫學裝置等領域有著重要的應用前景。目前制備近紅外光響應形狀記憶聚合物的常用方法是將貴金屬納米顆粒等光熱轉化材料引入熱響應形狀記憶聚合物，但為了提高光熱材料在聚合物中的相容性一般需要采用表面改性、原位接枝等手段。同時傳統的貴金屬納米顆粒或石墨烯等材料均涉及復雜的合成過程，這些因素的存在會大大提高材料制備的難度和成本。因此如何通過一種簡單易行的手段制備近紅外響應形狀記憶材料仍是目前該研究的一個難點。
在生活中，我們會發現蘋果或梨用鐵刀切了以后，表面會變黑。這是由于蘋果或梨等水果的細胞里含有單寧酸，單寧酸與鐵離子化合會生成黑色的單寧酸鐵納米顆粒，而該納米顆粒則具有優異的光熱轉化性能。受此啟發，西安交通大學化工學院陳鑫教授/白永康副教授課題組采用原位生成的方法將單寧酸鐵納米顆粒（FeTA）引入固態的熱響應形狀聚合物中。他們首先采用商業化的乙烯-乙烯醇共聚物作為聚合物基底，通過二異氰酸酯交聯得到熱響應形狀記憶聚合物，并在此過程中引入鐵離子。然后，只要簡單的將所制備的固態薄膜浸入單寧酸溶液中，即可制備具有高光熱響應性能的形狀記憶復合材料。
圖 1 （a）和（b）復合材料的光熱轉化性能；（c）和（d）復合材料近紅外光響應形狀記憶行為
通過對復合材料微觀形貌、機械性能、光熱轉化效應等性能的研究發現，FeTA納米顆粒能夠均勻地分散在聚合物基底中，使得材料不僅能夠體現出優異的機械強度，同時能夠實現優異的光響應形狀記憶性能。如圖1所示，材料的光熱轉化性能會隨浸泡時間及鐵離子含量的變化而變化。而對于無論是彎折或拉伸試驗，復合材料都能夠在近紅外光的刺激下快速回復至其原始形狀。
圖2 （a）復合材料的熱致三段形狀記憶性能；（b）復合材料的光致三段形狀記憶性能；（c）分段復合材料的光致三段形狀記憶性能。
在光響應性的基礎上，形狀記憶聚合物的多段響應性能夠增加材料形狀變化的設計性及復雜性，從而進一步拓展材料的應用前景。在該研究中所采用的乙烯-乙烯醇共聚物，兼具有聚乙烯醇及聚乙烯的轉變溫度，因此具備了實現三段形狀記憶性能的結構基礎。如圖2所示，通過動態熱機械分析儀的熱力學循環表征，復合材料的確能夠實現優異的熱致三段形狀記憶性能。而通過調控近紅外光源的功率密度，研究發現該復合材料還能夠實現光致三段形狀記憶行為。此外，課題還進一步研究了該復合材料在光致驅動器中應用，結果發現該材料能夠拉動自身重量1600倍的負重，使得該材料在光驅動器件中有著廣泛的應用前景。
圖3 （a）和（b）復合材料的光致驅動負載行為；（c）復合材料的回復力
該研究工作以“Novel Near-Infrared Light-Induced Triple-Shape Memory Composite Based on Poly(ethylene-co-vinyl alcohol) and Iron Tannate”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。該研究工作主要由西安交通大學化工學院白永康副教授完成，陳鑫教授為通訊作者，西安交通大學化工學院為唯一通訊單位。該研究工作得到了國家自然科學基金、陜西省自然科學基金等項目的大力支持。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c05166
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