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“外层包裹”实现多重刺激响应致动器的制备

智能驱动晶态材料(如光响应分子晶体)多以粉末微晶形式在外界刺激下进行响应,不可避免的存在晶体间驱动力互相抵消和无法汇聚的问题,无法将微小的驱动力转化为有用功,制约了其进一步应用。线性高分子具有柔性和良好的加工成型性能,可以作为构建智能系统的理想基质材料。鉴于此,在前期的研究工作中,南开大学化学学院的张振杰研究员(点击查看介绍)课题组受肌肉组织构成的启发,采用仿生的思想,提出了一种操作简单、具有普适性的“混合基质”合成策略(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 18634; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 10192):其中微晶作为驱动元件(模拟肌纤维),柔性高分子作为“结缔组织”来胶联分子晶体,构建了尺寸形状和响应速度可调的“晶态人工肌肉”,在光的控制下可进行抓取、蠕动、游泳等一系列复杂动作。


“混合基质”复合策略有时受限于晶态材料在高分子溶液的不稳定(溶解或分解)或难以分散的问题,影响后续复合体系的构建。针对这个挑战,张振杰研究员课题组将MOFs外层包裹保护的思想创新用于智能驱动系统的构建,在为晶态材料提供保护的同时还能提高其在高分子中的分散性,最终获得高性能的智能驱动体系(图1)。这种策略展示了良好的普适性,不仅适用于各种类型的光响应分子晶体(蒽、偶氮、酰腙等),而且适用于多种高分子体系(如PVA和PVDF等)。

图1. MOFs外层包裹制备智能驱动体系的示意图


图2.智能驱动体系的光响应行为(a)和蒸汽响应行为(c),响应过程中的位移及角度(b),蒸汽响应的循环性(d)


图3. 双重刺激响应致动器爬行示意图和实际演示


驱动功能测试发现,这种新型复合体系不仅继承了分子晶体的光驱动性能,而且继承了高分子的蒸汽驱动性能,从而获得了多重刺激响应的功能(图2)。如图3所示,制备得到的智能驱动在光/蒸汽协同刺激下可以进行爬行等复杂运动。该工作发展了“混合基质”的智能驱动系统构筑策略,为制备多重刺激响应智能系统提供了一种新思路。


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):

Protective Coating with Crystalline Shells to Fabricate Dual-Stimuli Responsive Actuators

Peixin Xu, Qi Yu, Yao Chen, Peng Cheng, Zhenjie Zhang

CCS Chem., 2021, DOI: 10.31635/ccschem.021.202000663


导师介绍

张振杰课题组主页

https://www.x-mol.com/groups/zhang_zhenjie


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