Nature：在光敏聚合物薄膜中“興風作浪”

【引言】

能夠在外部刺激的作用下維持其固有形狀的振動材料在醫學與機器人學等領域引起了人們極大的興趣。例如，液晶網絡在被人工修飾后可以在任何結構下承受外界刺激引起的變形。研究人員常常在液晶聚合物薄膜中混入偶氮苯分子，以使其具備光敏性；然而，在大多數情況下，文獻報道的卻是這類薄膜的彎曲響應，并且此類薄膜在松弛后所進行的光異構化反應也是相當的緩慢。

【成果簡介】

近日，來自荷蘭埃因霍溫科技大學的Dirk J. Broer和美國肯特州立大學的Robin L. B. Selinger（共同通訊作者）等人利用兩步法來減少偶氮苯熱松弛的時間，即：1）分子中添加一個“推-拉”組；2）形成可互變異構化的偶氮腙。相應地，他們也設計了兩種可聚合的偶氮衍生物。在此基礎上，研究人員通過快速順反熱弛豫法將偶氮苯衍生物并入液晶網絡，最終制備出一種光敏聚合物薄膜，這種聚合物薄膜在恒定光照下能夠表現出眾多優良的特性。相關成果以“Making waves in a photoactive polymer film”為題發表在近期的Nature雜志上。

【圖文導讀】

圖1 偶氮染料及其順-反松弛

a) 偶氮衍生物和液晶基元的化學結構；

b) 偶氮衍生物的順-反松弛的半衰期隨溫度的變化呈指數下降。

圖2 波傳播機理及影響傳播速度的參數

a）實驗裝置的示意圖。該圖表明聚合物薄膜在傾斜入射光源的照射下，其兩端都受到限制。藍色箭頭表示的是膜的變形方向，而紅色箭頭則表示的是波的傳播方向；

b）波的頻率與入射光的角度；

c）光強對頻率的影響；

d,e）模擬比較（左）及水平面和垂直面構造的實驗數據（右）。箭頭表示波的傳播方向。比例尺表示的是標量參數的量級。

圖3 在波傳播過程中紅外熱像儀記錄的溫度跡線

圖片展示的是在膜的垂直面和水平面上曝光的溫度分布。

a,c）在不同時間t下（如圖所示），膜上溫度分布的快照（色標度：黃色，高；藍色，低），局部過熱點十分明顯；

b,d）如圖a和c所示，在位置1（黑色），位置2（紅色）和位置3（藍色）的振動溫度。

圖4 展示薄膜功能的兩個應用實例

a）因為能量的快速釋放，光致波動才能夠將薄膜表面的沙子彈射出去，從而展示出自清潔表面的運行機理；

b）沿著平坦基底方向的光致運動的示意圖；

c,d）活性薄膜的短端，平面端和垂直端都固定在惰性的框架上，運動的方向則取決于暴露于外的側面。

【小結】

研究人員系統的研究了這種光敏聚合物薄膜，并利用理論模型和數值模型解釋了波的作用機理，得到的數據與實驗結果相吻合。同時，通過相關實驗也表明這種光敏薄膜在光驅動和自清潔領域都具有很大的應用價值，今后在諸如照像工藝和小型化運輸等行業內都能大顯身手。

文獻鏈接：Making waves in a photoactive polymer film（Nature，2017，DOI：10.1038/nature22987）

本文由材料人編輯部高分子小組Andy提供，材料牛編輯整理。

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