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中科大馬明明教授課題組 ACS AMI：通過構建能量傳遞網絡實現可編程的多重響應聚合物驅動器

2022-03-12 來源：高分子科技

外界刺激作用到細胞受體上會產生細胞內信號，通過信號通路實現信號的傳遞、放大和調節。信號通路由多種生物功能分子通過相互調控作用構成。不同的信號通路經常以同一種生物功能分子為節點連接成網絡結構，使細胞能夠感知多種外界刺激并做出的復雜而精巧的細胞應答。如果把現有的功能聚合物作為節點，通過合適的信號傳遞（能量傳遞）機制將多個節點連成網絡，所得的聚合物復合材料就有可能模擬細胞中的信號通路網絡的功能，并進一步制備出可編程的多重響應驅動器。

近期，中國科學技術大學化學系馬明明課題組將三種功能高分子（聚苯胺、聚N-異丙基丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷）作為節點進行組裝，構筑了一種簡單的能量傳遞網絡（圖1）。所得復合材料的結構和功能可以被三種因子（pH，聚乙二醇，kosmotropic離子）調節，進而可以對六種外界刺激（光、電、溫度、濕度、離子強度、有機溶劑）做出可調控的快速響應（圖2）和模態變化（圖3）。以此復合材料制備出的柔性驅動器可輸出接近肌肉的機械力（0.32 MPa）（圖2），并且可以對多種外界同時刺激或序列刺激產生可編程的響應，可用作可編程的開關和具有自適應性的柔性抓手（圖4）。該工作以“Programmable Multistimuli-Responsive and Multimodal Polymer Actuator Based on a Designed Energy Transduction Network”為題在線發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, acsami.2c01549）。中科大博士生晏秀男和博士后陳青是文章的共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖1. 以功能聚合物作為節點構筑能量傳遞網絡的設計原理圖。

圖2. 復合材料在光、電刺激下做出快速且強有力的響應。

圖3. 復合材料在濕度、溫度、離子強度等刺激下發生可逆的模態變化。

圖4. 復合材料對多種同時刺激或序列刺激產生可編程的響應，可用作可編程的開關和具有自適應性的柔性抓手。

該工作是馬明明課題組近期關于功能高分子組裝體相關研究的最新進展之一。模仿生物大分子的合成和組裝方法，通過功能基元的結構匹配實現有序組裝，是設計制備多功能集成的軟材料、并邁向智能軟材料的有效策略。為此，課題組發展了可控合成和組裝功能基元的多種方法，實現了多種光、電功能軟材料的功能拓展和集成，并向智能化邁進。近期的代表性成果包括：利用復合材料的微觀內應力調控柔性驅動器的宏觀響應模式，實現濕度驅動的連續螺旋運動(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 20473); 通過“剛柔并濟”的分子組裝策略制備兼具高強度和高韌性的柔性導電聚合物材料（Chem. Eng. J., 2021, 405, 126915; Chem. Eng. J., 2019, 368, 933；Nat. Commun., 2018, 9, 3579）; 通過有機和無機納米基元的有序組裝和結構調控實現SERS熱點結構和功能的調控（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2108556; Nano Research, 2021, 14, 275）；通過超分子組裝實現高效級聯的能量傳遞，從而實現多色長時間的化學發光（ACS Nano, 2020, 14, 3, 3696；Nat. Commun., 2017, 8, 1003）。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c01549

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（責任編輯：xu）

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