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浙大王立教授和俞豪杰副教授團(tuán)隊(duì) AFM:受貽貝粘附蛋白啟發(fā)的聚合物液晶彈性體及其光/熱響應(yīng)軟體驅(qū)動(dòng)器
2023-01-16  來源:高分子科技

  軟體驅(qū)動(dòng)器因其在軟體機(jī)器人、微型發(fā)動(dòng)機(jī)、人造肌肉和生物醫(yī)等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景而備受關(guān)注。液晶彈性體(LCEs)是制造軟體驅(qū)動(dòng)器的理想材料之一。然而,傳統(tǒng)基于穩(wěn)定共價(jià)交聯(lián)的LCEs通常面臨形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活度低以及驅(qū)動(dòng)形變單一等問題。近年來研究發(fā)現(xiàn),在LCEs網(wǎng)絡(luò)中引入動(dòng)態(tài)可交換鍵為制造具有復(fù)雜驅(qū)動(dòng)形變、可定制形狀以及可編程的動(dòng)態(tài)軟體驅(qū)動(dòng)器帶來了新策略用這種方式制備的動(dòng)態(tài)LCEs網(wǎng)絡(luò)通常具有自愈性、可回收性和可焊接性等優(yōu)點(diǎn),更加適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需求。此外,傳統(tǒng)熱響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的直接加熱驅(qū)動(dòng)方式具有較大的局限性,需要特定的驅(qū)動(dòng)場景或環(huán)境。通過在傳統(tǒng)LCEs內(nèi)引入額外的有機(jī)或無機(jī)光熱添加劑,使其能夠通過光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光響應(yīng)驅(qū)動(dòng),進(jìn)而提高其操作的可控性和靈活性,可顯著提升LCEs的應(yīng)用范圍。然而,光熱添加劑的團(tuán)聚、滲出以及毒作用等問題是光驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)LCEs驅(qū)動(dòng)器面對的重要挑戰(zhàn)。


  近日,浙江大學(xué)王立教授和俞豪杰副教授團(tuán)隊(duì)受到海洋生物貽貝粘附蛋白化學(xué)的啟發(fā),合成了一種由兒茶酚基團(tuán)封端且含液晶單元的線性低聚物(RM257-Dopa),再通過兒茶酚基團(tuán)與鐵離子的配位作用直接制備了動(dòng)態(tài)交聯(lián)的LCEs(圖1)。該LCEs制備方法簡單,化學(xué)組成均一,不含光熱添加劑就具有NIR光響應(yīng)性,且機(jī)械性能優(yōu)異。 


圖1. LCEs的制備及結(jié)構(gòu)表征


  基于聚合物網(wǎng)絡(luò)中兒茶酚基團(tuán)-鐵離子配合物在近紅外區(qū)的光吸收,所得LCEs表現(xiàn)出了強(qiáng)的光熱響應(yīng)性0.8 W/cm2功率密度的NIR光(808 nm)下,僅需5sLCEs表面溫度即可從14.5 oC升至超過100 oC。循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明,該LCEs對NIR光照具有很好的響應(yīng)穩(wěn)定性。此外,基于兒茶酚基團(tuán)-鐵離子配位鍵的鍵交換,所得聚合物網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出自修復(fù)、再加工以及形狀可編程性。利用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析對該配位鍵交換行為進(jìn)行了表征,并用原位拉曼光譜對其溫敏性進(jìn)行了分析(圖2)。結(jié)果表明,升溫可以弱化配位鍵的形成并促進(jìn)鍵交換,當(dāng)溫度接近140 oC時(shí)通過拉曼光譜可明顯觀察到聚合物網(wǎng)絡(luò)中配位鍵的解離。 


圖2. LCEs的光熱轉(zhuǎn)換性能以及網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性


  兒茶酚基團(tuán)-鐵離子配位作用為制備具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)(從1D到3D)以及復(fù)雜形變方式的光/熱響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器提供了契機(jī),且加工方式靈活。例如,經(jīng)過簡單的直接加熱或選擇性處理,片狀LCEs即可在十分微小的尺度上被制造具有特定結(jié)構(gòu)的軟體機(jī)器人(圖3)利用液晶相轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)的宏觀形變,制備所得軟體機(jī)器人可在NIR光的引導(dǎo)下完成前進(jìn)、后退、爬坡甚至負(fù)重前進(jìn)等一系列運(yùn)動(dòng)。此外,借助NIR光誘導(dǎo)的Marangoni效應(yīng),所得軟體機(jī)器人還能夠?qū)崿F(xiàn)在水面上的光引導(dǎo)前行,操控靈活方便(圖4)。 


3. 基于液晶相轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)的陸地爬行機(jī)器人概念及應(yīng)用 


4. 基于Marangoni效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的水面移動(dòng)機(jī)器人概念及應(yīng)用


  以上成果于近期發(fā)表在Advanced Functional Materials上,論文題目為Light-guided dynamic liquid crystalline elastomer actuators enabled by mussel adhesive protein chemistry,第一作者為浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院博士后梁瑞雪博士,通訊作者為浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院俞豪杰副教授。


  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202211914

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