科研进展简报

可自修复的光塑性弹性体和光驱动器

来源:pc蛋蛋神策网在线预测99    作者:能源光子学功能实验室    发布时间:2019年07月29日    浏览:309次

        典型的交联聚合物虽然有着橡胶般的弹性但不具有线性聚合物的热塑性;而热响应动态共价交联的聚合物既拥有较好的弹性又拥有一定的热塑性,从而使得热加工成为可能。与热加工相比,光加工具有很明显的优势,因为光的波长、强度、光束形状等可以进行多重调节,便于实现精准与远程控制,具有广泛的应用前景。在聚合物网络结构中引入光响应的动态共价交联网络,不仅能实现材料的光加工,还能够构造出光响应智能弹性体。智能弹性体通过感知光照刺激,改变自身结构,从而实现自愈合、变形和移动等传统聚合物材料所无法获得的功能。

        近日,华中科技大学pc蛋蛋神策网在线预测99朱明强教授团队率先提出“光塑性”的概念,通过设计动态与静态双重交联网络结构(图1 a),制备出了“光塑性”聚氨酯弹性体(PPU)。PPU中的动态交联点是有着可逆光响应特性的六芳基联咪唑(HABI)基团,静态交联网络为甘油结构。HABI的光致可逆动态共价键C-N键(图1 b)赋予了PPU弹性体优异的自愈和性能(图1 c),PPU弹性体也因此获得了不同于热塑性的光塑性,在可见光照、负载的双重作用下表现出可逆光致伸缩特性,相当于一个弹性模量可光控调节的弹簧(图1 d)。


                                             

图1. PPU弹性体的光塑性机理及自修复和光控弹簧行为:(a) PPU材料的双网络结构示意图;(b) HABI动态共价键的光致可逆裂解与重组;(c) 可见光照下的自愈合行为;(d) 可见光和负载双重作用下的光塑性形变。

         

        另外,PPU弹性体材料展现出有趣的趋光性,在有、无负载的条件下,来自于同一侧的光照可让弹性体分别表现出背光性和向光性(图2 a)。基于此,该团队设计出一种十字花型仿生驱动器,在组合运用光照和拉力后,完成了十字花的光控开、合的动作(图2 b)。

图2. 基于光塑性的智能驱动:(a) PPU弹性体的趋光性;(b) 仿生十字花的光驱运动。

 

        光塑性材料允许材料的非接触式远程加工控制,为功能材料的加工制造提供了一种新的可能。同时,作为驱动装置,光塑性材料的设计简洁精巧,功能强大多样,能够为未来智能材料领域的发展提供新的思路。

 

       以上研究成果以题 为“Photoplastic Self-Healing Polyurethane Springs and Actuators”论文发表在Chemistry of Materials (Chem. Mater. 2019, 31, 5081-5088)。项目由国家自然科学基金、973计划共同资助,论文第一作者为华中科技大学光电国家研究中心博士生向诗力。通讯作者为华中科技大学光电国家研究中心朱明强和李冲。

 


      全文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b00983