上海交大林尚超課題組AFM：利用構象自由度大幅增強偶氮苯聚酰亞胺塊體的光-機械能量轉換效率

引言：

偶氮苯摻雜的玻璃態聚酰亞胺（偶氮苯聚酰亞胺）提供了迄今為止唯一能與電致伸縮聚合物相媲美的高效光-機械能量轉換潛力。盡管有著這些潛能，目前其光-機械效率與其它智能材料相比仍然很低，光-機械能量轉化效率亟待提高。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202170334

成果簡介：

近日，上海交大林尚超副教授和康奈爾大學翟晨曦博士合作在Advanced? Functional Materials上發表題為“Conformational Freedom‐Enhanced Optomechanical Energy Conversion Efficiency in Bulk Azo‐Polyimides”的研究論文。作者使用置信度高的粗粒化分子動力學模擬，澄清了原有的實驗與理論矛盾，揭示了光致異構化伸縮聚合物中限制光力轉換效率的因素。有趣的是，預測得到的單鏈偶氮苯酰亞胺理想的光-機械轉換效率為10% – 24%，等于或略高于現有實驗結果，意味著有實驗設計方面的效率提升空間。作者首次量化了偶氮苯聚酰亞胺塊體隨時間演化的光-機械轉化效率，發現其與初始自由體積（聚合物構象自由度的量度之一）密切相關。作者進一步用構象排列參數和粘彈性弛豫模量闡述了此趨勢的物化機理。類似于含偶氮苯的金屬/共價有機框架中孔隙率對光致伸縮的影響，作者發現更大的構象自由度能使光-機械轉換效率比現有實驗提高了十余倍。此現象可能主要是來自光致異構化轉換所促進的粘彈性弛豫，可以快速減少材料中的殘余應力和作為不可逆熵產生的熱損。這些發現表明，通過有針對性的策略（例如孔隙率和熱退火過程控制）來改善光-機械轉換性能有著廣闊的設計空間。該成果以“Conformational Freedom-Enhanced Optomechanical Energy Conversion Efficiency in Bulk Azo-Polyimides”為題在知名期刊《Advanced Functional Materials》發表并被選為當期扉頁論文，并被多家國際知名媒體報道：ScienceDaily (https://www.sciencedaily.com/releases/2021/10/211019223232.htm), AZOM (https://www.azom.com/news.aspx?newsID=57013), FSU News (https://news.fsu.edu/news/science-technology/2021/10/19/fsu-researchers-find-space-between-polymer-chains-affects-energy-conversion/), FLORIDA NEWS TIMES (https://floridanewstimes.com/researchers-have-discovered-that-the-space-between-polymer-chains-affects-energy-conversion/361832/), etc.

圖文導讀：

圖一：可描述偶氮苯酰亞胺光致異構化的全原子與粗粒化模型結構：a) 偶氮苯酰亞胺單體的全原子模型與粗粒化模型的匹配示意圖。b) 偶氮鍵的反式到順式和順式到反式轉變的勢能曲線，以及用于模擬紫外線和可見光照射下的光致異構化轉換的力場函數擬合曲線。插圖顯示了偶氮苯酰亞胺單體的反式和順式形態。

圖二：單鏈偶氮苯酰亞胺的光致異構化轉換效率：a) 反式和順式全原子單鏈偶氮苯酰亞胺拉伸試驗的分子動力學模擬圖和收縮率測量。b) 對應全原子模型的粗粒化模型。c) 隨拉力變化的全原子模型和粗粒化模型之間的收縮率比較及其相應的形態。d) 隨拉力變化的全原子模型和粗粒化模型之間的機械效率比較及其相應的形態。

?圖三：分子動力學模擬流程圖以及應力弛豫模量：a) 用于初始壓縮、平衡和光致異構化轉換的粗粒化分子動力學模擬的流程圖。b) 隨時間演化的偶氮苯聚合物在不同初始體積下的應力弛豫模量曲線。

圖四：偶氮鍵在光致異構化過程中朝向與形態的變化

圖五：偶氮苯聚酰亞胺塊體在光致異構化過程中的體積變化和相應機械功：a) 隨時間演化的偶氮苯聚酰亞胺塊體的體積變化。b) 隨時間演化的具有不同初始自由體積分數的輸出機械功及其相應效率。

圖六：偶氮苯聚酰亞胺塊體的最終光致異構化轉換效率與初始自由體積分數的構效關系：比較偶氮苯聚酰亞胺塊體的體積收縮率、最終光致異構化轉化效率和初始自由體積分數的關系。左側插圖顯示了由入射紫外光引起的光致異構化轉換以及相應的總體積收縮率。右側插圖顯示了其塊體形態，其中每個偶氮苯酰亞胺單體使用一種顏色表示。

作者簡介

林尚超：上海交通大學機械與動力工程學院工程熱物理研究所副教授、博導、國家特聘青年專家。本科畢業于上海交通大學，碩士和博士畢業于麻省理工學院，曾任佛羅里達州立大學助理教授。近年來致力于熱電轉換與儲能材料、微納尺度傳熱傳質、高分子聚合物能源材料、界面和膠體科學，以及能源材料中的力-熱-光-電耦合效應的研究，先后主持美國化學會石油研究基金、美國國家科學基金、上海航天先進技術聯合研究基金、國防科技基礎加強計劃基金項目等，并作為骨干參與國家自然科學基金重點國際合作項目。在頂級國際權威期刊Nature、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition等發表論文50余篇，論文引用超過3800多次、H因子為28。現擔任中國工程院院刊系列Frontiers in Energy《能源前沿》青年編委。

翟晨曦：美國康奈爾大學機械工程系博士后，其博士畢業于佛羅里達州立大學機械工程系，麻省理工學院訪問學生。近年來致力于多物理場下的聚合物材料和無機材料的力學行為的理論模擬和實驗表征。在國際權威期刊Advanced Functional Materials、npj Computational Materials、Macromolecules、Journal of Materials Chemistry B、ACS Biomaterials Science & Engineering、Electrochimica Acta、ACS Applied Materials & Interfaces等發表論文20余篇。其作為PI（Principal Investigator）獲得美國XSEDE多項計算資源資助。

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