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东华大学游正伟教授《AFM》:光热驱动的可自愈仿生鱼!

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

游动装置可以在液体表面移动,在仿生运动、精准输运、诊疗等领域显示出巨大的潜力。装置驱动力主要两种:可逆变形产生的液体反作用力和表面张力梯度产生的马兰戈尼效应。表面张力梯度可以通过浓度梯度或温度梯度产生。化学添加剂包括铂纳米颗粒、表面活性剂和乙醇蒸气,已被用来产生以浓度为基础的表面张力梯度来推动游动装置。然而,化学添加剂的控释是具有一定难度的,而且它们的储存能力有限。近年来,光加热被应用于产生基于温度的表面张力梯度来驱动游动装置,并显示了很大的前景。与其他刺激相比,由于光具有远程、非接触和精确的控制,因此它更适合于设备的时-空调制运动。然而,之前报道的基于光热的器件通常需要较高的温度梯度(45 °C以上)来产生足够强的表面张力梯度来产生运动,并且只能实现特定形状的特定类型的运动。现有的游动装置是由热固性材料制成的,其加工相对困难。此外,在现有的游动装置中实现多模运动需要多个部件的复杂装配。因此,游动装置的定制仍是很困难的。

近日,东华大学的游正伟教授团队开发了一种智能游动装置,具有制造简便、可智能运输和自愈等特点。创造这种装置的关键是新设计的光热热塑性聚癸二酰二甘油酯-偶氮二甲酸酯(PSeDA),PSeDA的光加热使其能够产生有效的马兰戈尼效应来驱动游动装置。该研究以题为“Thermoplastic Photoheating Polymer Enables 3D‐Printed Self‐Healing Light‐Propelled Smart Devices” 的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。

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本文亮点:

(1)他们通过将有机光热生色基团(偶氮苯)嵌入到聚合物的分子骨架中,合成出具有光热效应的热塑性塑料PSeDA。在0.35、0.65和1.30 W cm−2的紫外光束照射下, PSeDA能在20 s内迅速从26 °C升高到50 °C、80 °C和130 °C。光热效率可达87.9%。

(2) PSeDA材料具有包括自愈性、精确可焊性和可逆粘附性等粘弹性特性。从条状 PSeDA聚合物切片上切下的两部分,可以在紫外线照射下轻松自愈合,形成完整的条状,愈合后的拉伸强度为8.0±1.6 MPa,与原始状态相当,能够承受100 g的重量。

(3) 游动装置在紫外线照射下的流动性可根据光强度和结构尺寸进行调节。船桨状的装置展示了包括光控制的旋转和弯曲运动的灵活运动模式。随着光照时间增加,角速度无明显变化,说明其运动稳定性良好。

(4) 用红外热像仪监测鱼形装置的温度,发现由光热效应所产生的20 °C温差就能有效地推动它移动。该温差远低于先前报道中所述推力游动装置需要45 °C以上的典型温度梯度。

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图1. 单组分热塑性PSeDA的设计和表征。PSeDA表现出可通过光强控制来调节温度的光热效应。

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图2. PSeDA粘弹性的光控调制。

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图3. PSeDA三维结构的一体化加工及其在智能游动装置中的应用。

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图4. 游动装置光推进运动机理的说明。

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图5. 一体化游动装置(仿生鱼)的智能化运输和光自愈能力。

全文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202009568

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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