中國科大李闖教授 Chem. Mater.：分子光異構化驅動的宏觀bisazo水凝膠致動器
2023-05-09 來源：高分子科技
生物體通過協同整合分子水平上的各種微觀運動，以實現宏觀尺度上的復雜結構和功能。受生物系統啟發，科學家們設計合成了一系列人工功能分子，例如分子機器和分子開關，并試圖以此模擬生命體系的微觀-宏觀調控過程及其相關功能。然而由于分子運動容易被環境隨機耗散，如何有效地將微觀分子運動放大傳遞到宏觀材料體系中仍然面臨著巨大挑戰。偶氮苯作為一類經典的分子開關，已被廣泛應用在光響應液晶彈性體、人造肌肉和仿生致動材料等領域，其中含有偶氮苯的水凝膠材料因其高含水量與生物組織類似而備受關注。然而，偶氮苯通常作為一種光響應客體分子，通過與大環主體分子之間的主客體識別作用來間接影響水凝膠的材料性能。雖然偶氮苯也被作為共價交聯劑整合到水凝膠中，但截至目前，直接利用偶氮苯分子尺度上的空間構型變化以實現水凝膠宏觀性能的調控仍然尚未實現。
近期，中國科學技術大學高分子科學與工程系李闖教授團隊合成了一種可交聯的雙偶氮苯（bisazo）光開關化合物，通過剛性的Tr?ger堿類似物（TBA）橋連兩個偶氮苯分子，使其在光異構化時定向折疊從而產生出顯著的幾何轉變（圖1），能夠將化合物兩個遠端的空間距離從20 ? 減少到 8 ?。當這種光開關作為交聯劑引入到聚合物網絡中時，其分子水平的定向收縮和膨脹會驅動聚合物鏈的運動和重排，并將這些運動放大到宏觀尺度，導致本體聚合物水凝膠的直接體積變化和變形（圖2）。此外，使用這種光開關來調節水凝膠宏觀特性這一方法，適用于不同的聚合物系統中。Bisazo水凝膠被用來模仿自然界中的宏觀生物運動，包括光致肌肉收縮和向光性彎曲等（圖3）。這項工作在分子運動和宏觀驅動之間建立了明確的聯系，有助于進一步研究揭示水凝膠材料微觀結構和宏觀性能之間的構效關系和作用機制。
圖1 Bisazo分子的化學結構及其光異構化反應
圖2 Bisazo水凝膠構筑及其光致體積可逆收縮和溶脹
圖3 Bisazo水凝膠的光致仿生形變
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.3c00062
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（責任編輯：xu）
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