Nature：在光敏聚合物薄膜中“兴风作浪”

【引言】

能够在外部刺激的作用下维持其固有形状的振动材料在医学与机器人学等领域引起了人们极大的兴趣。例如，液晶网络在被人工修饰后可以在任何结构下承受外界刺激引起的变形。研究人员常常在液晶聚合物薄膜中混入偶氮苯分子，以使其具备光敏性；然而，在大多数情况下，文献报道的却是这类薄膜的弯曲响应，并且此类薄膜在松弛后所进行的光异构化反应也是相当的缓慢。

【成果简介】

近日，来自荷兰埃因霍温科技大学的Dirk J. Broer和美国肯特州立大学的Robin L. B. Selinger（共同通讯作者）等人利用两步法来减少偶氮苯热松弛的时间，即：1）分子中添加一个“推-拉”组；2）形成可互变异构化的偶氮腙。相应地，他们也设计了两种可聚合的偶氮衍生物。在此基础上，研究人员通过快速顺反热弛豫法将偶氮苯衍生物并入液晶网络，最终制备出一种光敏聚合物薄膜，这种聚合物薄膜在恒定光照下能够表现出众多优良的特性。相关成果以“Making waves in a photoactive polymer film”为题发表在近期的Nature杂志上。

【图文导读】

图1 偶氮染料及其顺-反松弛

a) 偶氮衍生物和液晶基元的化学结构；

b) 偶氮衍生物的顺-反松弛的半衰期随温度的变化呈指数下降。

图2 波传播机理及影响传播速度的参数

a）实验装置的示意图。该图表明聚合物薄膜在倾斜入射光源的照射下，其两端都受到限制。蓝色箭头表示的是膜的变形方向，而红色箭头则表示的是波的传播方向；

b）波的频率与入射光的角度；

c）光强对频率的影响；

d,e）模拟比较（左）及水平面和垂直面构造的实验数据（右）。箭头表示波的传播方向。比例尺表示的是标量参数的量级。

图3 在波传播过程中红外热像仪记录的温度迹线

图片展示的是在膜的垂直面和水平面上曝光的温度分布。

a,c）在不同时间t下（如图所示），膜上温度分布的快照（色标度：黄色，高；蓝色，低），局部过热点十分明显；

b,d）如图a和c所示，在位置1（黑色），位置2（红色）和位置3（蓝色）的振动温度。

图4 展示薄膜功能的两个应用实例

a）因为能量的快速释放，光致波动才能够将薄膜表面的沙子弹射出去，从而展示出自清洁表面的运行机理；

b）沿着平坦基底方向的光致运动的示意图；

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，运动的方向则取决于暴露于外的侧面。

【小结】

研究人员系统的研究了这种光敏聚合物薄膜，并利用理论模型和数值模型解释了波的作用机理，得到的数据与实验结果相吻合。同时，通过相关实验也表明这种光敏薄膜在光驱动和自清洁领域都具有很大的应用价值，今后在诸如照像工艺和小型化运输等行业内都能大显身手。

文献链接：Making waves in a photoactive polymer film（Nature，2017，DOI：10.1038/nature22987）

本文由材料人编辑部高分子小组Andy提供，材料牛编辑整理。

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