自然界環境瞬息萬變,許多生物體需要隨時改變自身的顏色或形態來適應這種變化。受此啟發,研究者已開發了“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演化,該類材料在信息傳感、智能檢測等領域具有良好的應用前景。體系中非平衡相到平衡相的結構轉變是構筑自演變材料的主要機理,基于該機理,研究者已開發了含溶劑的高分子體系(如溶液、凝膠)的自演變材料。但是,基于高分子相轉變,實現通用高分子材料(如塑料)在常溫環境下的性能自演變仍具挑戰。
浙江大學潘鵬舉教授團隊基于高分子的多晶相轉變,提出了構筑自演變材料的新方法。以輕度交聯的商業化等規聚丁烯-1為基體,通過亞穩態晶相到熱力學穩態晶相的結構轉變,實現了可編控的圖案信息和形狀信息的動態演變。此外,溶液結晶可阻斷亞穩態晶相到穩態晶相的轉變,實現了圖案信息和形狀信息的永久保留。通過熔融重結晶,該材料可以循環使用和再編程(圖1)。
圖1. 基于高分子晶相轉變的自演變材料的設計機理
材料的晶相轉變的速度顯著依賴于溫度和應力場。研究發現,與室溫和無應力條件相比,低溫時(如?25 °C)晶相轉變的周期延長(圖2a-c),拉伸取向后晶相轉變周期縮短(圖2d),而溶劑處理(溶液結晶)可阻斷材料的晶相轉變(圖2i)。受晶相轉變的影響,材料的宏觀性能(如透明度、形狀記憶行為)隨時間發生自發變化(圖2e-h)。
圖2 材料晶相轉變和性能的表征
材料中多晶相的區域化調控,實現了圖案信息的動態演變。基于區域化熔融和結晶,首先在材料中寫入亞穩態晶相。在室溫條件下,自發的晶相轉變使亞穩態晶相區域的透明度先減小后增大,使圖案信息隨時間再現和消失。晶相轉變完成后,圖案信息消失,可通過熔融和再結晶進行信息的再次寫入(圖3a)。溶劑處理(溶液結晶)可阻斷材料的晶相轉變,使圖案信息永久保留(圖3b)。
圖3 圖案信息的自演變與調控
利用不同晶相的熔點和形狀記憶行為的差異,進一步實現了形狀信息和動作信息動態演變和調控。對于區域化寫入亞穩態晶相的樣品,晶相轉變的發生使材料的形狀回復能力越弱,材料的變形能力和動作信息呈現隨時間自主演變的特性(圖4a)。通過調控不同區域的晶相轉變時間,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(溶液結晶)阻斷材料的晶相轉變,可實現形狀信息的永久保留和重現(圖4c)。
圖4 變形信息的自演變與調控
上述成果以“Self-evolving materials based on metastable-to-stable crystal transition of a polymorphic polyolefin”為題發表在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基金、化學工程聯合國家重點實驗室(浙江大學)、浙江大學衢州研究院的支持。
全文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/mh/d1mh01691a
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