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  力致變色材料在材料變形可視化上具有很好的應用前景，其中，通過將力敏小分子引入聚合物網絡是較常用的一種制備方法，而螺吡喃是近年來應用較多的力敏小分子，在外部機械力作用下，無色或淺黃色的螺吡喃發生開環反應形成紫色的部花青素異構體。目前，研究者已將螺吡喃引入不同的聚合物實現力致變色行為，但大多數所報道的螺吡喃/聚合物的變色激活要求較高的壓力或者較大的形變，不利于實際應用；此外，螺吡喃的力響應度遠小于其光響應度，反映了其較低的力敏利用率，在一定程度上浪費了合成的螺吡喃。因此，提高此類材料的變色靈敏度以及力響應度成為該領域需要解決的難題。

  針對上述問題，Greg Qiao教授團隊通過對聚合物網絡的構筑，將螺吡喃引入多重網絡聚丙烯酸酯中，通過改變聚合物網絡組分調節其力學性能，從而實現對力致變色行為的調控。由于螺吡喃所在的第一層網絡被單體溶脹而后聚合形成第二層以及第三層網絡，第一層網絡的分子鏈得到預拉伸，從而大大降低了變色激活的形變和作用力。為了方便比較變色靈敏度，該團隊首次引入變色激活能量（U_A）的概念，通過計算顏色激活形變點對應的應力-應變曲線下的面積而獲得。

圖1. 螺吡喃-雙重網絡彈性體的制備方法。

  網絡組分如螺吡喃的濃度、制備第一層網絡的溶劑含量以及丙烯酸酯單體種類都會對變色行為產生不同的影響，其中，螺吡喃的濃度改變對力學性能幾乎沒有影響，因此U_A的變化不明顯；而制備第一層網絡的溶劑含量越低，其形變硬化點越低，變色就能夠在更低的應變下被激活，相應的UA也越低；而將第二層網絡的單體由丙烯酸丁酯換成丙烯酸甲酯，其形變硬化點會降低，U_A也更低（對應0.71 MJ m^-3和0.63 MJ m^-3）。三重網絡可以使變色靈敏度進一步提高，U_A可低至0.1 MJ m^-3。

圖2.螺吡喃/聚丙烯酸丁酯/聚丙烯酸丁酯和螺吡喃/聚丙烯酸丁酯/聚丙烯酸甲酯雙重網絡彈性體的應變-應力曲線，以及相應的藍色比值變化。

  與以往報道的螺吡喃聚合物彈性體相比，該工作所制備的雙重網絡和三重網絡可實現變色靈敏度調控，其中，三重網絡的U_A達到最低。

圖3.螺吡喃聚合物彈性體的變色點在應變-應力曲線上的圖表，以及相應的U_A數值。

  此外，該研究發現使用多重網絡結構可以有效提高螺吡喃的力響應性。在以往報道的螺吡喃聚合物彈性體中，螺吡喃的力響應度遠低于其光響應度，一般只有30%左右。而在該工作中，螺吡喃/聚丙烯酸丁酯/聚丙烯酸丁酯雙重網絡的力響應度可達光響應度的66%，而螺吡喃/聚丙烯酸丁酯/聚丙烯酸甲酯雙重網絡的力響應度更是超過了其光響應度，達138%，為首次被報道的力響應度高于光響應度的螺吡喃彈性體。此性能的提高得益于螺吡喃在第一層網絡中的預拉伸。

圖4. 螺吡喃/聚丙烯酸丁酯/聚丙烯酸丁酯和螺吡喃/聚丙烯酸丁酯/聚丙烯酸甲酯雙重網絡彈性體的紫外光激活和拉伸激活的紫外-可見光吸收圖譜。

  以上成果以‘Regulating Color Activation Energy of Mechanophore-Linked Multinetwork Elastomers’為題發表在《Macromolecules》上，論文的第一作者為墨爾本大學化工系‘Polymer Science Group’博士生Wenlian Qiu，通訊作者為Greg Qiao教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c00477