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北大楊槐/北科大王茜/江西師大蘭若塵團(tuán)隊(duì) AFM:從仿生花到智能夾具 - 雙重響應(yīng)性驅(qū)動器的多元應(yīng)用
2024-12-16  來源:高分子科技

  共價有機(jī)框架(COFs)作為一類新興的結(jié)晶多孔聚合物,在功能材料研究領(lǐng)域備受矚目。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能使其在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力,如電池、超級電容器、催化、水處理、傳感器、藥物遞送和氣體分離等。將 COFs 負(fù)載到聚合物基質(zhì)中,能夠結(jié)合 COFs 的刺激響應(yīng)行為與聚合物的形狀完整性和易加工性。近期,科研人員取得了新突破,成功合成了具有光熱和溶劑敏感性的卟啉 COF,并將其摻入液晶聚合物(LCPs)基質(zhì)中,制備出了一種新型智能驅(qū)動器。這一研究成果由北京大學(xué)楊槐、北京科技大學(xué)王茜和江西師范大學(xué)蘭若塵團(tuán)隊(duì)以題目為“Dual-Stimuli-Responsive Covalent Organic Framework-Liquid Crystal Polymer Smart Actuator”發(fā)表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者是北京科技大學(xué)博士研究生劉茹


  研究人員合成了具有光熱和熒光的卟啉COFPOR-BHA COF),并將其引入到具有均勻分子排列的液晶聚合物(LCP)基質(zhì)中。這種復(fù)合設(shè)計(jì)使得材料兼具COF的刺激響應(yīng)特性和LCP的形狀完整性與易加工性,成功實(shí)現(xiàn)了近紅外光和溶劑蒸汽雙重響應(yīng)性。


POR-BHA COF-LCP雙重致動器示意圖


POR-BHA COF的合成與表征


  通過側(cè)鏈工程COF骨架中引入烷基鏈制備得到了具有光熱效應(yīng)和熒光POR-BHA COF。卟啉單元的 π - 共軛效應(yīng)使 POR - BHA COF 具有熒光性,通過側(cè)鏈工程抑制了聚集導(dǎo)致的熒光猝滅(ACQ)效應(yīng)增強(qiáng)了其熒光強(qiáng)度。采用FTIRSS NMRXPS證明POR-BHA COF的成功合成,TEMXRD證明POR-BAH COF具備高結(jié)晶度。


Figure 1. a)Schematic representation of POR-BHA COF structure. b)PXRD pattern of POR-BHA COF. c)13C SS NMR of POR-BHA COF. d-f) XPS spectra of POR-BHA COF. d)C 1s, e)N 1s, f)O 1s. g)TEM image of POR-BHA COF particles. h)SAED pattern of POR-BHA COF. i)SEM image of POR-BHA COF particles. j)Elemental mapping images of POR-BHA COF.


POR-BHA COFLCP驅(qū)動器中的光熱效應(yīng)性


  在POR-BHA COF-LCP驅(qū)動器中,POR-BHA COF作為光熱劑發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究人員通過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在近紅外光照射下的卓越性能,如快速升溫、觸發(fā)響應(yīng)彎曲行為,且具有良好的循環(huán)耐久性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在近紅外光照射下,驅(qū)動器溫度迅速上升,產(chǎn)生明顯彎曲角度,并且經(jīng)過多次循環(huán)后仍能保持穩(wěn)定性能。


Figure 2. Actuation and characterization of POR-BHA COF-LCP actuator. a)Infrared thermal imaging and photographic analysis of the POR-BHA COF-LCP actuator, illustrating reversible deformation in response to infrared irradiation. b)Time-dependent plot of bending angle for POR-BHA COF-LCP during actuation. c)Plot of bending angles for POR-BHA COF-LCP actuator under 808 nm light over 60 cycles. d)Splayed oriented POR-BHA COF-LCP film segmented at varying angles (I)90°, (II)0°, (III)45° and (IV)135° relative to the long axis. e)Tailoring angles and response behavior of POR-BHA COF-LCP actuators under NIR exposure.


POR-BHA COF-LCP驅(qū)動器的溶劑蒸汽響應(yīng)


  與傳統(tǒng)的平行取向和垂直取向LCP薄膜不同,具有雜化取向的POR-BHA COF-LCP薄膜對溶劑蒸汽表現(xiàn)出顯著響應(yīng)。以二氯甲烷(DCM)蒸汽為例,POR-BHA COF-LCP驅(qū)動器能在短時間內(nèi)發(fā)生卷曲變形,且經(jīng)過多次循環(huán)后仍保持良好效果。同時,該驅(qū)動器對多種揮發(fā)性溶劑蒸汽均有響應(yīng),且響應(yīng)速度和靈敏度因溶劑而異。與普通 LCP 薄膜相比,POR - BHA COF - LCP 驅(qū)動器的機(jī)械強(qiáng)度得到顯著提升。從拉伸測試后的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像可以看出,LCP 薄膜斷裂面光滑,呈現(xiàn)脆性斷裂特征,而 POR - BHA COF - LCP 薄膜斷裂橫截面粗糙,表明其韌性增強(qiáng)。這意味著驅(qū)動器在頻繁的驅(qū)動變形過程中,更能抵抗機(jī)械應(yīng)力帶來的損傷,具有更高的耐用性和可靠性。


Figure 3. Actuation and characterization of POR-BHA COF-LCP. a)Sequential photographs illustrating the reversible deformation of POR-BHA COF-LCP in response to DCM vapor exposure. b)Response behavior of POR-BHA COF-LCP actuators with varied tailoring angles under DCM vapor. c)Time-dependent plot of bending angle for POR-BHA COF-LCP during actuation. d)Plot of bending angles of POR-BHA COF-LCP actuator over 60 cycles in DCM vapor. e)Stress-strain curves of POR-BHA COF-LCP compared with LCP. f)SEM image depicting the fracture morphology of POR-BHA COF-LCP. g)SEM image of the fracture surface of LCP.


雙響應(yīng)POR-BHA COF-LCP驅(qū)動器


  基于這一創(chuàng)新材料,研究人員制備了仿生花朵、近紅外光控開關(guān)和智能抓手。仿生花在紫外線下呈現(xiàn)出玫瑰色熒光,在近紅外光和DCM蒸汽的作用下能夠可逆地綻放和閉合,展示了材料在智能仿生領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。光控開關(guān)和智能抓手則進(jìn)一步體現(xiàn)了材料在智能控制和操作領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用價值。


Figure 4. a)UV-vis spectra of POR-BHA COF and POR-BHA COF-LCP. b)Fluorescence spectra of POR-BHA COF and POR-BHA COF-LCP. c)Photograph of POR-BHA COF powder under natural light. d)Photo of POR-BHA COF powder under 365 nm UV light. e)Photograph of bionic flower under natural light. f)Photo of bionic flower under 365 nm UV light. g)Sequential images of bionic flower under NIR light. h)Photos capturing the response behavior of the bionic flower upon DCM vapor exposure. i)Images of POR-BHA COF-LCP gripper robot under NIR light. j)Images of POR-BHA COF-LCP light-control switch under NIR light.


  這種雙響應(yīng)智能驅(qū)動器的創(chuàng)新之處在于其獨(dú)特的材料設(shè)計(jì)和性能表現(xiàn),能夠快速響應(yīng)環(huán)境刺激,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變形,在柔性機(jī)器人、智能夾持系統(tǒng)、智能材料和傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供了有力支持。


  論文信息:Dual-Stimuli-Responsive Covalent Organic Framework-Liquid Crystal Polymer Smart Actuator

Ru Liu, Zerui Li, Haokai Zhao, Lanying Zhang, Ruochen Lan, Qian Wang, Huai Yang

  Advanced Functional Materials

  DOI: 10.1002/adfm.202418627

  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202418627

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