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见光就弯的偶氮苯聚合物柱状阵列

偶氮苯及其衍生物是一类典型的光敏性功能分子化合物,最初多作为染料出现在人们的日常生活中。随着对其结构和性能调控研究的深入,含偶氮化合物及聚合物材料在不同光调控诱导下呈现出光机械效应、光软化效应、光流体化效应以及光致折射率变化等诸多独特性能,也因此在信息存储、微流体技术、智能致动器件以及光电器件等领域有着广泛的应用。其中,含偶氮材料的光流体化效应在材料非光刻微/纳结构构筑及精细调控方面展现出显著的优势。


近日,韩国科学技术院(KAIST)Hee-Tak Kim教授研究团队以含偶氮无定型聚合物——聚分散橙3(PDO3)为光敏性材质,采用模板复制法构筑PDO3柱状阵列微结构该PDO3阵列在倾斜偏振光辐照诱导下,基于磁场梯度效应结合偶氮苯聚合物光流体化效应能够实现柱状结构不同程度的弯曲。PDO3柱状结构的形貌光调控特性使其在光控润湿性表面、光控定向粘附等方面展现出优异的应用前景。

PDO3柱状结构的构筑及光调控过程示意图。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


研究团队以柱状阵列硅模板为母版,表面经过低表面能含氟硅烷处理后经PDMS复制得到反相微结构阵列;在玻璃基底滴涂PDO3/环己酮(30 w/w %)溶液,同时覆盖 PDMS模板,在毛细力作用下PDO3溶液充满PDMS柱状孔洞结构,待(60 °C,12 h)溶液挥发后的得到PDO3柱状阵列。

入射光角度对PDO3柱状结构光致弯曲的影响。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


基于入射光强度在偶氮苯膜内有明显的衰减(最大入射深度~1μm),因此在偏振光辐照下偶氮苯膜内会产生磁场梯度效应进而引起光流体化效应,驱动偶氮苯分子链产生大尺度运动。通过调控偏振光(532 nm,14.4 mW cm-2)入射角度可导致柱状PDO3阵列不同部分产生不同程度的光流体化效应,从而实现初始柱状结构不同程度的弯曲形变;同时,入射光角度与柱状阵列弯曲程度之间呈现出较好的线性关系,使得PDO3柱状阵列的光致弯曲调控更为精细化。

PDO3柱状阵列形貌的选区光调控。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


此外,光辐照作为外部刺激具有远程、无接触及空间可控的特点,基于光掩膜辅助可简便实现偶氮苯聚合物阵列结构不同局部区域、不同弯曲程度的精细调控,在构筑聚合物复合阵列结构器件方面具有独特的优势。同时,PDO3柱状阵列的光致弯曲调控,能够赋予阵列表面单向的各向异性润湿性,在液体可控传输等方面具有潜在的应用前景。

PDO3柱状阵列结构表面润湿性光调控。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


另一方面,PDO3柱状阵列的光致弯曲特性,使其能够简便仿生“壁虎脚”或“牛蒡种子”定向粘附功能。PDO3柱状弯曲阵列优异的对称性使其粘附强度显著高于非对称柱状结构;PDO3柱状阵列弯曲幅度的光调控特性,也为柱状阵列形貌对定向粘附强度影响的系统研究提供了便利。

PDO3柱状阵列的光控定向粘附。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


总结


该论文基于偶氮苯聚合物的光流体化效应,简便实现了偶氮苯聚合物柱状阵列结构(弯曲)形貌的精细光调控。光致弯曲的偶氮苯聚合物柱状阵列展现出单向各向异性的表面润湿性以及可控的定向粘附性能,同时,该研究成果可拓展至其他含偶氮聚合物体系表面微结构形貌的光调控研究。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Programmable Fabrication of Submicrometer Bent Pillar Structures Enabled by a Photoreconfigurable Azopolymer

Wonhee Jo, Jaeho Choi, Hong Suk Kang, Mingeon Kim, Sangyul Baik, Bong Jae Lee, Changhyun Pang, Hee-Tak Kim*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 5058-5064, DOI: 10.1021/acsami.9b19420


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