透过现象用本质!一种受高分子粘弹性启发的形变策略

古往今来,透过现象看本质的故事比比皆是。牛顿看到苹果落地而发现其本质——万有引力;法拉第看到小磁针在通电导线旁发生偏转而发现其本质——电磁感应;爱因斯坦观察到光打在金属电路上产生电流而发现其本质——光电效应。站在巨人的肩膀上,从看高分子本质到用高分子本质,一种新的形变策略孕育而生。

最近,浙江大学高分子系计剑课题组沈介泽等人充分利用高分子粘弹性本质,用一种及其简单新颖的方法实现了材料空间差异化的连续精准调控,从而实现三维形变结构的连续精准控制。

朴实无华的新形变机理

在创造形状记忆效应(SME)时,他们利用不同时温条件编辑形状记忆聚合物(SMPs) ——聚多巴胺修饰(PDA)的Nafion的不同区域。由于聚合物粘弹性,不同区域的分子链松弛状态不同即内应力分布不均匀,在均匀热激活下不同区域恢复率不同从而释放内应力产生各种三维结构。这种截然不同的策略通过无极调节聚合物热历史产生连续可调的精准物理图案化信息。另外,在一个高温下退火处理可以消除不同区域的热历史差异,使材料能被重新编辑并且可以多次调节以适用于实际环境。更重要的是,这种方法不仅仅适用于Nafion/PDA,而且还适用于其他热响应的SMPs。

浙江大学计剑、沈介泽:透过现象用本质!一种受高分子粘弹性启发的形变策略
图1. 物理图案化过程中不同区域内应力演变示意图

 

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图2. 不同时温条件下内应力差异

 

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图3. 不同时温条件SME差异

 

意想不到的编辑手段——光

与以往的光作为刺激响应因素不同,他们首次利用光作为编辑手段。将Nafion/PDA平面材料在温度Td下拉伸到合适长度(strain)并且在室温下固定。基于PDA的光热转化能力,在保持应变下用808nm近红外光进行照射,使光照区域温度超过Td达到Tp-t。这样光照区域与非光照区域就有了不同分子链状态,在恢复温度Tr下不同区域的恢复率不同从而释放内压力产生形变。

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图4. 物理图案化过程示意图

 

独特的形变性能——可连续调控可重新编辑

研究者调控Td,Tr,Tp-t和strain四个因素连续调控形变量,如下图所示。形变量随Tr增加先变大后变小,随strain,Tp-t单调递增,随Td单调递减。突破了图案化方法不能连续调控形变信息的瓶颈。

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图5. 不同因素对形变量的调控

 

基于这种较好的精准调控,他们设计了不同图案化信息得到了可预计的三维结构。

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图6. 具有不同图案化信息的三维形变

 

另外,连续调控的特点使研究者能在一个连续变化的因素下得到动态形变,并且能在变化过程中固定想要的形状。

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图7. 连续调控下的动态变化

 

最后由于该策略编辑的是物理图案,因此在合适的高温下材料内的几何信息能被擦除,实现重复编辑。

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图8. 物理图案的擦拭与重新编辑

 

总之,本研究开创了一种新的形变编辑策略,利用高分子本质通过对形状记忆聚合物热历史的物理调制来编辑几何信息。该方法不仅具有以往策略的优点,而且具有独特的能力。不同区域异质性的连续调节使所获得的三维结构能无限变化,提供了生成更准确更精细结构的可能性。此外,近红外激光编码的物理图案可以被擦除和重新编程,允许几何信息在同一材料内重新编码。

 

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c08995

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