Adv. Funct. Mater.：熱塑性光熱聚合物實現3D打印、自修復的光驅動智能設備

【研究背景】

能夠在液體表面運動的游泳裝置在仿生運動、精確運輸、診斷和治療等領域顯示出巨大的潛力。游泳裝置主要有兩種構筑策略：可逆變形產生的液體反作用力和表面張力梯度產生的Marangoni效應。液晶彈性體在光、熱、電場、磁場等外界刺激下的可逆變形已被廣泛應用于制作游泳裝置。表面張力梯度可以由濃度梯度或溫度梯度產生。化學添加劑包括鉑納米顆粒、表面活性劑和乙醇蒸汽被用來產生基于濃度的表面張力梯度來推動游泳裝置。然而，化學添加劑難以可控釋放，且其儲存受限。近期，光熱被應用于產生基于溫度的表面張力梯度來推動游泳裝置。與其他刺激相比，光具有遠程、非接觸和精確輻照的特征，可實現對設備運動的時空可控調制。然而，先前報道的基于光熱的游泳裝置通常需要高的溫度梯度（>45℃）來產生足以驅動的表面張力梯度；同時采用的材料一般均為熱固性，加工受限，難于實現游泳裝置的定制化加工，也不具有期望的自修復等智能特性。

【成果簡介】

近日，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室游正偉教授團隊提出了光熱塑料的新概念，設計了可光加熱熱塑性聚合物（聚癸二酰基-偶氮苯-4,4'-二酰基-二甘油酯，PSeDA），進而由此構建了可便捷定制、可智能運輸、具有自修復特性的游泳裝置。PSeDA具有良好的熱塑性，可方便3D打印定制成不同形狀的游泳設備。PSeDA能被紫外光快速加熱，對應的器件可在光控下基于Marangoni效應發生游動。光熱效應還實現了對其粘彈性的遠程調控，從而對應的設備具有智能運輸（包括捕獲、傳輸和釋放）和自修復的特征。作者進一步合成對可見光和近紅外光響應的光熱熱塑性聚合物，證明了上述材料設計方法的通用性，將會開啟光熱塑料這一激動人心的材料研究新領域。該工作近日以“Thermoplastic Photoheating Polymer Enables 3D-Printed Self-Healing Light-Propelled Smart Devices”為題發表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、單組分熱塑性PSeDA的設計與表征

（A）材料設計、結構和光熱過程的示意圖。

（B）固體PSeDA的紫外-可見吸收光譜研究其反式和順式間的轉變。

（C）不同光強下PSeDA的溫度-輻照時間曲線。

（D-E）通過交替輻照實驗，獲得初始狀態和貯存12個月時的PSeDA的溫度-輻照時間循環曲線，探討其光熱穩定性。

圖二、PSeDA粘彈性的光調控性質表征及其初步應用

（A）PSeDA的光誘導液化。

（B）PSeDA微圖案的光控構建與擦除。

（C）在紫外光交替照射下，PSeDA循環流變粘彈性變化的定量分析。

（D）PSeDA樣條的光誘導愈合。

（E）PSeDA光誘導焊接。

（F）用PSeDA粘接的兩塊玻璃板的光致可逆脫粘的照片和示意圖。

（G）PSeDA可方便重塑成不同形狀：珍珠殼，海螺，海星和蝸牛。

圖三、3D打印PSeDA便捷構筑游泳裝置

（A）通過3D打印定制的各種一體式游泳設備的照片。

（B）矩形游泳裝置在紫外光照射下的直線游動。

（C）不同光強（350、400和500 mW cm^?2）紫外照射下設備的位移和速度變化。

（D）通過照射游泳裝置的不同位置，實現了旋轉和弧線運動

（E）裝置旋轉角度和角速度隨輻照時間的變化。

圖四、游泳裝置的運動機理

（A）魚形裝置的實際運動軌跡圖。

（B）魚形裝置的3D打印示意圖及其表面和截面結構的SEM圖像。

（C）魚形裝置的運動機制示意圖。

（D）基于PSeDA的游泳裝置和已報道游泳裝置的比較。

（E）3D打印的和模塑的游泳裝置的運動速度的比較。

圖五、游泳裝置的智能按需運輸和光修復

（A）通過紫外光輻照游泳設備的不同位置實現物體的可控運輸。

（B）基于PSeDA粘彈性的光調控，3D打印游泳裝置可實現對不同物體（包括塑料、紙箱和金屬）的固定。

（C）智能運輸展示，包括向目標的空載移動、光輔助捕獲、在既定路線上的負載運輸和負載釋放。

（D-E）游泳裝置的自修復過程及功能修復展示。

圖六、對不同波長光響應的其他光熱塑料的設計和表征

（A-B）可見光響應的聚氨酯和近紅外光響應的聚酰胺的設計和結構。

（C）聚氨酯和聚酰胺的紫外-可見吸收光譜。

（D-E）不同光照強度下聚氨酯和聚酰胺的溫度-輻照時間曲線。

（F）經光焊接前后的聚氨酯納米纖維的SEM圖。

【結論展望】

綜上所述，該工作構建了一種新型的具有可定制、智能運輸和自修復能力的一體式游泳設備。無需任何后期組裝即可定制各種設備。游泳裝置的3D打印微米級網格結構產生了高的推進力和多模式運動。更進一步，這是游泳設備里首次實現自修復和遠程控制捕獲、傳輸和釋放。上述優點的關鍵在于新設計的光熱塑性PSeDA。光加熱為粘彈性，這一塑料的最重要的性能之一，提供了一種高效的時空可控的調節方式。更重要的是，作者通過合成對紫外線、可見光和近紅外光敏感的材料，證明了光熱塑料概念的普遍性。這項工作研制的游泳器件和材料的設計原理將啟發下一代功能裝置，并開創塑料的新領域，顯著拓寬其應用范圍。

文獻鏈接：Thermoplastic Photoheating Polymer Enables 3D‐Printed Self‐Healing Light‐Propelled Smart Devices (Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202009568)

本文由大兵哥供稿。

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