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  近紅外（NIR）光響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到了廣泛的關(guān)注，其在生物醫(yī)學(xué)裝置、軟驅(qū)動(dòng)機(jī)械和可穿戴電子設(shè)備中有著重要的應(yīng)用前景。近紅外光不僅能夠遠(yuǎn)程控制并且具有局部和非接觸的特性，能夠“按需”觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器而降低對(duì)周圍環(huán)境的干預(yù)。制備近紅外光致形狀記憶聚合物（SMP）的最常見(jiàn)方法是將光熱轉(zhuǎn)換試劑引入熱響應(yīng)SMP。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但由于光熱試劑在有機(jī)聚合物基質(zhì)中的相容性較差，通常會(huì)面臨一個(gè)兩難的困境，光熱轉(zhuǎn)換劑較低的摻雜百分比會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)速度及響應(yīng)強(qiáng)度的降低，而高摻雜百分比則會(huì)引起光熱轉(zhuǎn)換試劑的團(tuán)聚和相分離，從而導(dǎo)致機(jī)械性能下降。

  針對(duì)上述問(wèn)題，西安交通大學(xué)化工學(xué)院陳鑫研究員課題組設(shè)法將NIR吸收單元直接引入SMP的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中而不改變聚合物網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在此，他們使用商業(yè)化聚合物聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酸（PAA）作為骨架和各種金屬離子通過(guò)離子交聯(lián)作用制備了一系列具有多段響應(yīng)性的新型NIR光致形狀記憶離聚物。

圖1 離聚物的制備過(guò)程。

  課題組考察了一系列金屬離子對(duì)材料性能的影響，包括Cu²⁺、Ni²⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Cr²⁺和Al³⁺等，對(duì)其在808nm處的吸收光譜以及光熱轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，離聚物的光熱轉(zhuǎn)換效率主要取決于吸收光譜中近紅外區(qū)的吸收強(qiáng)度，而不同離聚物NIR響應(yīng)性能的不同則主要是源于對(duì)應(yīng)金屬離子結(jié)構(gòu)的不同。值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn)僅通過(guò)調(diào)節(jié)金屬離子和含量，就可以輕易地調(diào)整離聚物的光熱轉(zhuǎn)換效率，利用這一特性則可以滿足各種實(shí)際應(yīng)用對(duì)材料光熱轉(zhuǎn)換性能的不同需求。

圖2 (a)不同離聚物的的UV-vis-NIR光譜；(b) PVA-PAA和不同離聚物的光熱轉(zhuǎn)換效率；(c)由PVA-PAA-Cu、-Fe和-Co構(gòu)建的離聚物的光致多段形狀記憶行為；(d)梯度Fe³⁺離子在光誘導(dǎo)下的多段形狀記憶行為。

  進(jìn)一步地，課題組通過(guò)逐步交聯(lián)的方式構(gòu)建了含有Cu²⁺、Fe³⁺和Co²⁺三種金屬離子以及具有梯度Fe³⁺含量的材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)逐步增加近紅外光源的功率密度，實(shí)現(xiàn)了具有相同濃度不同離子或相同離子不同濃度離聚物的光致多段形狀記憶行為。

圖3(a)和(b)光致重塑前后材料的多段形狀記憶行為；(c)光致驅(qū)動(dòng)器示意圖。

  而將材料的光致形狀記憶性能與光致塑性向結(jié)合，則可以實(shí)現(xiàn)聚合物材料更復(fù)雜的形狀變化。通過(guò)逐步交聯(lián)方法制備三瓣花形樣品并通過(guò)折疊變形以及光致塑化，利用不同功率密度NIR光就能控制花瓣的開(kāi)合。課題組還進(jìn)一步設(shè)計(jì)了光致驅(qū)動(dòng)器的重力提升試驗(yàn)以及光控開(kāi)關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果表明通過(guò)調(diào)控近紅外光功率密度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光致驅(qū)動(dòng)行為的選擇性控制。

圖4 近紅外光功率密度控制的燈開(kāi)關(guān)(a)開(kāi)(b)關(guān)

  綜上所述，通過(guò)簡(jiǎn)單地將金屬離子作為交聯(lián)點(diǎn)引入PVA-PAA，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)NIR光致形狀記憶性能和光致塑性。這種具有很強(qiáng)局部和整體可控性的NIR光致形狀記憶離聚物在制造各種用于實(shí)際應(yīng)用的軟體驅(qū)動(dòng)器中有著廣泛的應(yīng)用前景。

  以上相關(guān)成果發(fā)表以“Fabrication of remote controllable devices with multistage responsiveness based on a NIR lightinduced shape memory ionomer containing various bridge ions”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。該研究主要由西安交通大學(xué)講師白永康博士和2017級(jí)碩士生張紀(jì)雯共同完成，通訊作者為陳鑫研究員，西安交通大學(xué)化工學(xué)院為論文的第一及唯一通訊單位。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的大力支持。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta05329h/unauth#!divAbstract