自然界環(huán)境瞬息萬變,許多生物體需要隨時改變自身的顏色或形態(tài)來適應(yīng)這種變化。受此啟發(fā),研究者已開發(fā)了“類生命”的自演變材料,在一定刺激下材料的性能可隨時間動態(tài)演化,該類材料在信息傳感、智能檢測等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。體系中非平衡相到平衡相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是構(gòu)筑自演變材料的主要機理,基于該機理,研究者已開發(fā)了含溶劑的高分子體系(如溶液、凝膠)的自演變材料。但是,基于高分子相轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)通用高分子材料(如塑料)在常溫環(huán)境下的性能自演變?nèi)跃咛魬?zhàn)。
浙江大學(xué)潘鵬舉教授團隊基于高分子的多晶相轉(zhuǎn)變,提出了構(gòu)筑自演變材料的新方法。以輕度交聯(lián)的商業(yè)化等規(guī)聚丁烯-1為基體,通過亞穩(wěn)態(tài)晶相到熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)晶相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)了可編控的圖案信息和形狀信息的動態(tài)演變。此外,溶液結(jié)晶可阻斷亞穩(wěn)態(tài)晶相到穩(wěn)態(tài)晶相的轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)了圖案信息和形狀信息的永久保留。通過熔融重結(jié)晶,該材料可以循環(huán)使用和再編程(圖1)。
圖1. 基于高分子晶相轉(zhuǎn)變的自演變材料的設(shè)計機理
材料的晶相轉(zhuǎn)變的速度顯著依賴于溫度和應(yīng)力場。研究發(fā)現(xiàn),與室溫和無應(yīng)力條件相比,低溫時(如?25 °C)晶相轉(zhuǎn)變的周期延長(圖2a-c),拉伸取向后晶相轉(zhuǎn)變周期縮短(圖2d),而溶劑處理(溶液結(jié)晶)可阻斷材料的晶相轉(zhuǎn)變(圖2i)。受晶相轉(zhuǎn)變的影響,材料的宏觀性能(如透明度、形狀記憶行為)隨時間發(fā)生自發(fā)變化(圖2e-h)。
圖2 材料晶相轉(zhuǎn)變和性能的表征
材料中多晶相的區(qū)域化調(diào)控,實現(xiàn)了圖案信息的動態(tài)演變;趨^(qū)域化熔融和結(jié)晶,首先在材料中寫入亞穩(wěn)態(tài)晶相。在室溫條件下,自發(fā)的晶相轉(zhuǎn)變使亞穩(wěn)態(tài)晶相區(qū)域的透明度先減小后增大,使圖案信息隨時間再現(xiàn)和消失。晶相轉(zhuǎn)變完成后,圖案信息消失,可通過熔融和再結(jié)晶進行信息的再次寫入(圖3a)。溶劑處理(溶液結(jié)晶)可阻斷材料的晶相轉(zhuǎn)變,使圖案信息永久保留(圖3b)。
圖3 圖案信息的自演變與調(diào)控
利用不同晶相的熔點和形狀記憶行為的差異,進一步實現(xiàn)了形狀信息和動作信息動態(tài)演變和調(diào)控。對于區(qū)域化寫入亞穩(wěn)態(tài)晶相的樣品,晶相轉(zhuǎn)變的發(fā)生使材料的形狀回復(fù)能力越弱,材料的變形能力和動作信息呈現(xiàn)隨時間自主演變的特性(圖4a)。通過調(diào)控不同區(qū)域的晶相轉(zhuǎn)變時間,可獲得“類生命體”的多樣化的動作展示(圖4b)。同樣,通過溶劑處理(溶液結(jié)晶)阻斷材料的晶相轉(zhuǎn)變,可實現(xiàn)形狀信息的永久保留和重現(xiàn)(圖4c)。
圖4 變形信息的自演變與調(diào)控
上述成果以“Self-evolving materials based on metastable-to-stable crystal transition of a polymorphic polyolefin”為題發(fā)表在Materials Horizons 上(Doi: 10.1039/D1MH01691A)。論文第一作者為博士生袁文華,通訊作者為潘鵬舉教授,該研究得到了國家自然科學(xué)基金、化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室(浙江大學(xué))、浙江大學(xué)衢州研究院的支持。
全文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/mh/d1mh01691a
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