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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(lái)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)療等領(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(wèn)題。近年來(lái)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(lái)了新策略。用這種方式制備的動(dòng)態(tài)LCEs網(wǎng)絡(luò)通常還具有自愈性、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(chǎng)景或環(huán)境。通過(guò)在傳統(tǒng)LCEs內(nèi)引入額外的有機(jī)或無(wú)機(jī)光熱添加劑，使其能夠通過(guò)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、滲出以及毒副作用等問(wèn)題是光驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)LCEs驅(qū)動(dòng)器所面對(duì)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(guò)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(jiǎn)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。在0.8 W/cm2功率密度的NIR光（808 nm）下，僅需5s，LCEs表面溫度即可從14.5 oC升至超過(guò)100 oC。循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，該LCEs對(duì)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(duì)該配位鍵交換行為進(jìn)行了表征，并用原位拉曼光譜對(duì)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(guò)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(guò)簡(jiǎn)單的直接加熱或選擇性光照處理，片狀LCEs即可在十分微小的尺度上被制造為具有特定結(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）。 


圖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 


圖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L(zhǎng)ight-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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