北大杨槐教授/江西师大兰若尘特聘教授团队AM：分子马达驱动的多模式驱动器

为了克服传统刚性机器人的弊端，软体机器人的研究从而兴起。主要由柔性弹性体和聚合物制成的软体机器人由于其具有无缝链接、质量较轻和可无接触操作等一系列的优点而显示出优越的优势。光驱动液晶聚合物结合了液晶基元的取向引起的各向异性还具有聚合物网络的弹性，这些特性的组合使得液晶聚合物可在光源刺激下实现大幅度、可逆的形变。到目前为止，制备出的液晶聚合物在仿生设备、机械抓手、传感器和机器人技术领域具有广泛的应用。在之前的基于分子马达的液晶聚合物的研究中，还没有真正实现基于分子马达的液晶聚合物的复杂形变模式，由分子马达触发液晶聚合物软体机器人的独特的驱动机制和巨大潜力依然有待探索。

在本项工作中，我们首次提出将分子马达和聚氨酯基体结合，制备了一种光响应液晶聚氨酯弹性体，它能够通过分子马达的光致异构化进行大幅度运动并实现弹性体的复杂运动。设计并合成了定转子部分具有乙二醇取代基的分子马达，分子马达在聚氨酯网络中充当交联单元。制备的聚氨酯液晶弹性体表现出优异的机械性能（拉伸强度为12.34 MPa，断裂伸长率为175%）和形状记忆效应，在高于玻璃化转变温度下加热时，可被重复编程为不同的形状。同时，由于可聚合分子马达的引入，形状可编程的聚氨酯液晶弹性体实现了光响应多模式驱动。所得聚氨酯液晶弹性体不仅可以实现幅度可调节的弯曲运动，聚合物的解螺旋运动，甚至可在紫外光驱动下实现薄膜在0.4秒内的快速收缩弯曲变形运动。

首先对新和成的定转子部分共带有三个乙二醇取代基的分子马达（MM-OH），进行光驱动和热动力学的基本表征。MM-OH在四氢呋喃溶液的吸收光谱随紫外光辐照逐渐红移且强度下降，从热稳态（SS）到光稳态（PSS）吸收峰从405 nm红移至430 nm。从分子马达由光稳态回复到热稳态过程中的吸收度的变化曲线，发现温度越高，分子马达回复的速率越快，且分子马达的回复曲线符合一级动力学化学反应，通过拟合计算可以得到对应的动力学参数。

然后对薄膜的热学和取向性进行表征。通过傅里叶红外吸收光谱，N-H键的伸缩和弯曲振动峰分别出现在3321 cm−1和1534 cm−1处。1700 cm−1处的峰值为氨基甲酸乙酯单元中羰基的振动峰。C−N和C−O键的峰位置分别出现在1349 cm−1和1103 cm−1处。而3445 cm−1的羟基峰消失。红外光谱的所有结果表明，在所有样品中都实现了较好的聚合。通过DSC测试，可得含有分子马达样品的和不含分子马达样品的玻璃化转变温度，结果表明，在体系中加入分子马达并没有对薄膜的玻璃化转变温度造成明显的影响。对薄膜拉伸前后进行偏光显微镜和二维XRD的表征，以验证其取向性能。拉伸至150%的薄膜，将其拉伸方向分别与偏光显微镜分析器平行和交叉，此时观察到明暗交替的视场，且拉伸后的薄膜的二维衍射图案的圆环在平行和垂直方向的强度具有明显的差异，说明薄膜具有良好的取向性。

对薄膜的力学性能和热机械性能进行表征。由曲线可得，薄膜在室温下的拉伸强度、断裂伸长率和杨氏模量分别为12.34 MPa、175%和1.64 MPa ，说明薄膜具有比较好的弹性和可拉伸性能。进一步表征聚氨酯液晶弹性体薄膜LCPU-MM的形状记忆曲线和形状记忆效应。薄膜的形状固定度（Rf）和形状恢复率（Rr）值分别为98%和83%，说明薄膜具有良好的形状记忆效应和形状恢复性能。利用薄膜的形状记忆性能，可对同一个薄膜进行重复可逆编程得到螺旋形、拱桥型和不同字母性状的的聚氨酯液晶薄膜。

探究低强度（11 mW cm-2）紫外光辐照下的薄膜的弯曲形变。可得，不论薄膜上表面或者下表面面向光源时，都可以发生幅度较小的形变，且弯曲形变的方向总是指向薄膜的下表面方向。进一步探究薄膜形变的原因，通过对薄膜进行吸收光谱表征、纳米压痕表面测试、偏光显微镜测试和薄膜XRD。再通过一系列的对比实验和根据先前的研究，可得辐照后分子马达的异构化使薄膜弹性模量略有降低。同时，本工作制备的LCPU-MM薄膜具有交联密度梯度性质。因此，我们推测LCPU-MM薄膜的致动运动归因于分子马达的旋转运动及其对聚合物主链的影响和弹性模量的降低。

最后，我们仿照植物中常见的螺旋弯曲运动，实现了缠绕在圆形金属棒上薄膜逐渐解开的复杂解螺旋运动以及仅在0.4s内发生的薄膜收缩跳跃变形。

这一成果近期发表在Advanced Materials上，北京大学材料科学与工程学院博士保金映为论文第一作者，江西师范大学兰若尘特聘教授和北京大学杨槐教授为此工作的共同通讯作者。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202302168

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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