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浙大王立教授和俞豪杰副教授團隊 AFM：受貽貝粘附蛋白啟發的聚合物液晶彈性體及其光/熱響應軟體驅動器

2023-01-16 來源：高分子科技

軟體驅動器因其在軟體機器人、微型發動機、人造肌肉和生物醫療等領域的廣闊應用前景而備受關注。液晶彈性體（LCEs）是制造軟體驅動器的理想材料之一。然而，傳統基于穩定共價交聯的LCEs通常面臨形狀結構設計靈活度低以及驅動形變單一等問題。近年來研究發現，在LCEs網絡中引入動態可交換鍵為制造具有復雜驅動形變、可定制形狀以及可編程的動態軟體驅動器帶來了新策略。用這種方式制備的動態LCEs網絡通常還具有自愈性、可回收性和可焊接性等優點，更加適應實際應用的需求。此外，傳統熱響應驅動器的直接加熱驅動方式具有較大的局限性，需要特定的驅動場景或環境。通過在傳統LCEs內引入額外的有機或無機光熱添加劑，使其能夠通過光熱轉換效應實現光響應驅動，進而提高其操作的可控性和靈活性，可顯著提升LCEs的應用范圍。然而，光熱添加劑的團聚、滲出以及毒副作用等問題是光驅動動態LCEs驅動器所面對的重要挑戰。

近日，浙江大學王立教授和俞豪杰副教授團隊受到海洋生物貽貝粘附蛋白化學的啟發，合成了一種由兒茶酚基團封端且含液晶單元的線性低聚物（RM257-Dopa），再通過兒茶酚基團與鐵離子的配位作用直接制備了動態交聯的LCEs（圖1）。該LCEs制備方法簡單，化學組成均一，不含光熱添加劑就具有NIR光響應性，且機械性能優異。

圖1. LCEs的制備及結構表征

基于聚合物網絡中兒茶酚基團-鐵離子配合物在近紅外區的光吸收，所得LCEs表現出了強的光熱響應性。在0.8 W/cm²功率密度的NIR光（808 nm）下，僅需5s，LCEs表面溫度即可從14.5 ^oC升至超過100 ^oC。循環實驗表明，該LCEs對NIR光照具有很好的響應穩定性。此外，基于兒茶酚基團-鐵離子配位鍵的鍵交換，所得聚合物網絡表現出自修復、再加工以及形狀可編程性。利用動態熱機械分析對該配位鍵交換行為進行了表征，并用原位拉曼光譜對其溫敏性進行了分析（圖2）。結果表明，升溫可以弱化配位鍵的形成并促進鍵交換，當溫度接近140 ^oC時通過拉曼光譜可明顯觀察到聚合物網絡中配位鍵的解離。

圖2. LCEs的光熱轉換性能以及網絡動態特性

兒茶酚基團-鐵離子配位作用為制備具有復雜幾何結構（從1D到3D）以及復雜形變方式的光/熱響應驅動器提供了契機，且加工方式靈活。例如，經過簡單的直接加熱或選擇性光照處理，片狀LCEs即可在十分微小的尺度上被制造為具有特定結構的軟體機器人（圖3）。利用液晶相轉變驅動的宏觀形變，制備所得軟體機器人可在NIR光的引導下完成前進、后退、爬坡甚至負重前進等一系列運動。此外，借助NIR光誘導的Marangoni效應，所得軟體機器人還能夠實現在水面上的光引導前行，操控靈活方便（圖4）。

圖3. 基于液晶相轉變驅動的陸地爬行機器人概念及應用

圖4. 基于Marangoni效應驅動的水面移動機器人概念及應用

以上成果于近期發表在Advanced Functional Materials上，論文題目為Light-guided dynamic liquid crystalline elastomer actuators enabled by mussel adhesive protein chemistry，第一作者為浙江大學化學工程與生物工程學院博士后梁瑞雪博士，通訊作者為浙江大學化學工程與生物工程學院俞豪杰副教授。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202211914

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（責任編輯：xu）

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