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  自然有機(jī)結(jié)構(gòu)是通過生長的模式形成的，在這一過程中，營養(yǎng)液被吸收、傳輸和整合。與之對應(yīng)的，人工合成的結(jié)構(gòu)通過完全不同的方法來得到，例如組裝、鑄造、切割和打印。因此，如何有效地在材料表面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的可控生長，來模擬自然有機(jī)結(jié)構(gòu)的形成，對研究生物體內(nèi)的相互作用有著重要的意義，且這是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

  針對以上問題，德國萊布尼茨新材料研究所/電子科技大學(xué)崔家喜教授團(tuán)隊(duì)與上海科技大學(xué)的鄭宜君教授通過將多種進(jìn)程融合在單個(gè)聚合物網(wǎng)絡(luò)中，包括對可聚合分子的吸收，分子的遷移以及新生成的聚合物與原始聚合物之間的交換與融合，使用紫外光的調(diào)控實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)的定向生長。對可聚合分子的吸收可以通過溶脹的方法來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)這些分子是可以通過聚合與基材來進(jìn)行融合的。因此，如何在三維聚合物網(wǎng)絡(luò)中對分子進(jìn)行有效地遷移是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。他們發(fā)現(xiàn)，在凝膠基質(zhì)中，可電離的離子對的形成能夠顯著增強(qiáng)聚合物網(wǎng)絡(luò)的溶脹能力。

  基于此，他們通過控制可電離的離子對的原位形成來調(diào)控分子在三維網(wǎng)絡(luò)中的遷移。在設(shè)計(jì)中（圖1），三種不同的反應(yīng)---光降解，光聚合和酯交換匯集在一個(gè)體系中，分別起到了引導(dǎo)液體組分（營養(yǎng)液）在三維網(wǎng)絡(luò)中的遷移，將液體組分轉(zhuǎn)化為聚合物以及重構(gòu)新生成的聚合物和原始聚合物的作用。因此，在不需要任何預(yù)先處理下，微結(jié)構(gòu)可以直接從基材的表面生長起來（圖2），并且該微結(jié)構(gòu)的尺寸、組成和強(qiáng)度可以得到較好的控制 （圖3）。這些靈活的可調(diào)節(jié)特性不僅可以在材料表面制備微結(jié)構(gòu)，還可以用于大面積的材料損傷自修復(fù)（圖4）。

圖 1. 在基材表面通過光來調(diào)控生長的示意圖。(a)可生長的“種子”的組成部分。(b)溶脹的“種子”。用于溶脹的培養(yǎng)液包括單體，交聯(lián)劑，光引發(fā)劑和酯交換催化劑。(c) 選擇性紫外光在溶脹基材表面的照射。硝基苯分子的光解可以產(chǎn)生可電離的離子對，該離子對可以誘導(dǎo)液體組分向被照射區(qū)域的遷移。(d) 光聚合產(chǎn)生新的聚合物。 (e) 通過酯交換，新產(chǎn)生的聚合物網(wǎng)絡(luò)可以和原先的聚合物網(wǎng)絡(luò)融合在一起。

圖 2. 光照條件下微結(jié)構(gòu)在基材表面生長（側(cè)視圖）的時(shí)間依賴性。光照強(qiáng)度：10 mW·cm^-2。光掩模尺寸：500 μm。比例尺：250 μm。

圖3. 微結(jié)構(gòu)生長的調(diào)控。(a) 光劑量開關(guān)的影響。(b)和(c) 微結(jié)構(gòu)的二次生長。(d) 不同交聯(lián)劑含量對強(qiáng)度的影響。(e) 不同光響應(yīng)分子的影響。(f)不同組分的影響。

圖4. (a)-(e) 材料表面微結(jié)構(gòu)的生長。(f)-(k) 生長策略用于大面積材料損傷的自修復(fù)。

  近日，該研究工作以Light-regulated growth from dynamic swollen substrates for making rough surfaces 為題發(fā)表在國際頂刊Nature Communications上，文章第一作者為博士生薛璐璐，論文共同通訊作者為崔家喜教授和鄭宜君教授，德國萊布尼茨新材料研究所為第一單位。該工作得到了萊布尼茨研究所，上海科技大學(xué)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)和中國國家留學(xué)基金委的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-14807-x 

作者簡介

  崔家喜教授，主要研究方向包括動(dòng)態(tài)軟材料、響應(yīng)性高分子、仿生材料、高性能水凝膠、生物材料等領(lǐng)域。以第一作者/通訊作者在 Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials JACS, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, Material Horizons等國際著名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文 70 多篇，作為主要發(fā)明人獲得美國專利授權(quán) 2 項(xiàng)，H 因子 26。編寫英文專著（章節(jié)）2 部。