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北大楊槐/北科大王茜/江西師大蘭若塵團隊 AFM:從仿生花到智能夾具 - 雙重響應性驅動器的多元應用
2024-12-16  來源:高分子科技

  共價有機框架(COFs)作為一類新興的結晶多孔聚合物,在功能材料研究領域備受矚目。其獨特的結構和性能使其在多個領域展現出巨大潛力,如電池、超級電容器、催化、水處理、傳感器、藥物遞送和氣體分離等。將 COFs 負載到聚合物基質中,能夠結合 COFs 的刺激響應行為與聚合物的形狀完整性和易加工性。近期,科研人員取得了新突破,成功合成了具有光熱和溶劑敏感性的卟啉 COF,并將其摻入液晶聚合物(LCPs)基質中,制備出了一種新型智能驅動器。這一研究成果由北京大學楊槐、北京科技大學王茜和江西師范大學蘭若塵團隊以題目為“Dual-Stimuli-Responsive Covalent Organic Framework-Liquid Crystal Polymer Smart Actuator”發表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者是北京科技大學博士研究生劉茹


  研究人員合成了具有光熱和熒光的卟啉COFPOR-BHA COF),并將其引入到具有均勻分子排列的液晶聚合物(LCP)基質中。這種復合設計使得材料兼具COF的刺激響應特性和LCP的形狀完整性與易加工性,成功實現了近紅外光和溶劑蒸汽雙重響應性。


POR-BHA COF-LCP雙重致動器示意圖


POR-BHA COF的合成與表征


  通過側鏈工程COF骨架中引入烷基鏈制備得到了具有光熱效應和熒光POR-BHA COF。卟啉單元的 π - 共軛效應使 POR - BHA COF 具有熒光性,通過側鏈工程抑制了聚集導致的熒光猝滅(ACQ)效應增強了其熒光強度。采用FTIRSS NMRXPS證明POR-BHA COF的成功合成,TEMXRD證明POR-BAH COF具備高結晶度。


Figure 1. a)Schematic representation of POR-BHA COF structure. b)PXRD pattern of POR-BHA COF. c)13C SS NMR of POR-BHA COF. d-f) XPS spectra of POR-BHA COF. d)C 1s, e)N 1s, f)O 1s. g)TEM image of POR-BHA COF particles. h)SAED pattern of POR-BHA COF. i)SEM image of POR-BHA COF particles. j)Elemental mapping images of POR-BHA COF.


POR-BHA COFLCP驅動器中的光熱效應性


  在POR-BHA COF-LCP驅動器中,POR-BHA COF作為光熱劑發揮關鍵作用。研究人員通過一系列實驗驗證了其在近紅外光照射下的卓越性能,如快速升溫、觸發響應彎曲行為,且具有良好的循環耐久性。實驗數據表明,在近紅外光照射下,驅動器溫度迅速上升,產生明顯彎曲角度,并且經過多次循環后仍能保持穩定性能。


Figure 2. Actuation and characterization of POR-BHA COF-LCP actuator. a)Infrared thermal imaging and photographic analysis of the POR-BHA COF-LCP actuator, illustrating reversible deformation in response to infrared irradiation. b)Time-dependent plot of bending angle for POR-BHA COF-LCP during actuation. c)Plot of bending angles for POR-BHA COF-LCP actuator under 808 nm light over 60 cycles. d)Splayed oriented POR-BHA COF-LCP film segmented at varying angles (I)90°, (II)0°, (III)45° and (IV)135° relative to the long axis. e)Tailoring angles and response behavior of POR-BHA COF-LCP actuators under NIR exposure.


POR-BHA COF-LCP驅動器的溶劑蒸汽響應


  與傳統的平行取向和垂直取向LCP薄膜不同,具有雜化取向的POR-BHA COF-LCP薄膜對溶劑蒸汽表現出顯著響應。以二氯甲烷(DCM)蒸汽為例,POR-BHA COF-LCP驅動器能在短時間內發生卷曲變形,且經過多次循環后仍保持良好效果。同時,該驅動器對多種揮發性溶劑蒸汽均有響應,且響應速度和靈敏度因溶劑而異。與普通 LCP 薄膜相比,POR - BHA COF - LCP 驅動器的機械強度得到顯著提升。從拉伸測試后的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像可以看出,LCP 薄膜斷裂面光滑,呈現脆性斷裂特征,而 POR - BHA COF - LCP 薄膜斷裂橫截面粗糙,表明其韌性增強。這意味著驅動器在頻繁的驅動變形過程中,更能抵抗機械應力帶來的損傷,具有更高的耐用性和可靠性。


Figure 3. Actuation and characterization of POR-BHA COF-LCP. a)Sequential photographs illustrating the reversible deformation of POR-BHA COF-LCP in response to DCM vapor exposure. b)Response behavior of POR-BHA COF-LCP actuators with varied tailoring angles under DCM vapor. c)Time-dependent plot of bending angle for POR-BHA COF-LCP during actuation. d)Plot of bending angles of POR-BHA COF-LCP actuator over 60 cycles in DCM vapor. e)Stress-strain curves of POR-BHA COF-LCP compared with LCP. f)SEM image depicting the fracture morphology of POR-BHA COF-LCP. g)SEM image of the fracture surface of LCP.


雙響應POR-BHA COF-LCP驅動器


  基于這一創新材料,研究人員制備了仿生花朵、近紅外光控開關和智能抓手。仿生花在紫外線下呈現出玫瑰色熒光,在近紅外光和DCM蒸汽的作用下能夠可逆地綻放和閉合,展示了材料在智能仿生領域的應用潛力。光控開關和智能抓手則進一步體現了材料在智能控制和操作領域的實際應用價值。


Figure 4. a)UV-vis spectra of POR-BHA COF and POR-BHA COF-LCP. b)Fluorescence spectra of POR-BHA COF and POR-BHA COF-LCP. c)Photograph of POR-BHA COF powder under natural light. d)Photo of POR-BHA COF powder under 365 nm UV light. e)Photograph of bionic flower under natural light. f)Photo of bionic flower under 365 nm UV light. g)Sequential images of bionic flower under NIR light. h)Photos capturing the response behavior of the bionic flower upon DCM vapor exposure. i)Images of POR-BHA COF-LCP gripper robot under NIR light. j)Images of POR-BHA COF-LCP light-control switch under NIR light.


  這種雙響應智能驅動器的創新之處在于其獨特的材料設計和性能表現,能夠快速響應環境刺激,實現復雜變形,在柔性機器人、智能夾持系統、智能材料和傳感器等領域具有廣闊的應用前景,為相關領域的技術發展提供了有力支持。


  論文信息:Dual-Stimuli-Responsive Covalent Organic Framework-Liquid Crystal Polymer Smart Actuator

Ru Liu, Zerui Li, Haokai Zhao, Lanying Zhang, Ruochen Lan, Qian Wang, Huai Yang

  Advanced Functional Materials

  DOI: 10.1002/adfm.202418627

  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202418627

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(責任編輯:xu)
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