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近日，北京大學楊槐教授團隊報道了一種簡單通用的制備方法，通過將聚氨酯共價交聯引入到液晶聚合物網絡中，并結合偶氮苯分子紫外光吸收性能和聚多巴胺的光熱效應，成功制備了一種形狀可編程，機械性能強的近紅外光響應驅動器。這種新型聚氨酯/液晶聚合物復合材料（PULCN）有望制造出更先進的光響應驅動器，并將其真正應用于軟機器人、人工肌肉、仿生設備等領域。

本研究中提出的制備策略不同于以往的互穿網絡策略，氫鍵和共價鍵協同作用改善了非液晶體系（聚氨酯體系）與液晶聚合物材料的相容性，提高了復合材料的穩定性。該材料不僅具有聚氨酯（PU）的形狀記憶性能，而且具有液晶聚合物（LCN）的形狀改變行為，由于材料的熔融溫度（Tm）高于液晶相轉變溫度，依賴于形狀記憶機制，液晶介質可以沿外力方向進行介晶對齊和重新排列，當溫度高于Tm時，鏈段活動度增加，介晶按應力方向排列成有序相，冷卻至室溫后，由于其中聚氨酯成分結晶，在外力撤除后仍可保持介晶對齊，并且通過熔融方式，可以進行重復編程/重新編程。此外，相較于傳統液晶聚合物材料，本研究中所制備材料具有較高的機械性能，在相變溫度下，最大機械強度達到20 MPa。

圖1 （a）不同氰基含量的LCN、PULCNCN和PULCNOCH的FTIR/ATR光譜；（b）PULCN, PU和LCN的DSC圖譜；（c）拉伸后的PULCNCN樣品在25、35、45和55℃加熱時記錄的二維XRD圖譜；（d）80℃下，不同氰基含量的PULCNCN的恢復率隨加熱時間的變化曲線；（e）LCN、PULCNCN 1:3和PULCNOCH 1:3在室溫和100℃下的應力-應變曲線；（f）以往報道材料與本研究中材料的機械性能對比圖；（g）PULCNCN 1:3的動態熱機械分析圖譜。

進一步，研究者向體系中引入偶氮苯分子，在光聚合過程中，利用偶氮苯紫外光吸收性能形成跨膜厚度的交聯密度梯度。本研究中將靠近紫外燈一側稱為上側，另一側為下側，薄膜上側交聯密度高于下側交聯密度，造成薄膜兩側彈性模量不同，當加熱到100℃時，可見薄膜沿長軸彎曲，彎曲方向始終朝向薄膜下側，且彎曲幅度與偶氮苯濃度相關。并且，如圖2所示，通過掩膜設計，薄膜可呈現不同的三維初始形狀。此外，偶氮苯摻雜的薄膜材料仍表現出優異的液晶性能和形狀記憶性能，薄膜經拉伸取向后可在相變溫度附近發生形變，形狀回復率和固定率均大于90%，這種形狀可重復編程的性能使薄膜具有更強的可調節性，可以重復使用相同的材料執行不同的運動，在一定程度上擴展現有復合材料的實際應用。

圖2 （a）偶氮苯含量與薄膜彎曲角度的關系。插圖是不同偶氮苯含量的薄膜的外觀；不同偶氮苯含量的“上側”（b)和“下側”（c) PULCNCN-AZO薄膜的典型載荷-位移曲線；（d) PULCNCN薄膜兩側彈性模量和偶氮苯含量的關系；（e) PULCNCN-AZO薄膜“上側”和“下側”彈性模量的差異取決于偶氮苯的含量；（f)不同偶氮苯含量的PULCNCN-AZO在100℃時的應力-應變曲線；（g)在掩模下單側照射和雙側照射下制備0.1 wt% PULCNCN-AZO薄膜的示意圖;(h)圖案化的PULCNCN-AZO薄膜的形狀變化過程演示:(Ⅰ)薄膜首先在80℃下機械拉伸，然后慢慢冷卻至室溫;(Ⅱ)(III)(IV)(V)薄膜隨著溫度從24℃上升到60℃而收縮;(i) 0.1 wt% PULCNCN-AZO模式化薄膜的形狀重編程過程。

聚多巴胺(PDA)生物相容性好且合成簡單，是目前最具優勢的近紅外光熱劑之一。在上述研究基礎上，本研究利用近紅外光響應聚多巴胺涂層對所制備的PULCNCN-AZO薄膜進行進一步功能化，PDA涂層作為能量轉換單元，將近紅外光轉化為熱能，觸發PULCNCN-AZO的運動，實現PULCN復合材料的全光學定向形狀記憶和形狀轉換，在最較低的光照強度下，薄膜恢復緩慢，但隨著光照強度逐漸增加，形狀回復率和形狀固定率相應增大。通過選擇性地涂覆PDA，進一步實現了局部化和可編程的形狀記憶功能。如圖3所示，半側涂有PDA的薄膜首先編程成字母“C”形狀，當暴露在0.4 W cm-2的近紅外激光下，PDA涂層的部分恢復，然而，未涂覆側薄膜未發生形變，薄膜呈現出字母“J”形狀，當加熱到100℃后，薄膜完全恢復。

此外，通過采用復雜的、有圖案的PDA涂層，可以設計出更多樣化的形變，本研究制備了一種局部光可控的手狀驅動器，通過逐步切換光強，涂有不同厚度PDA的區域依次響應，可呈現出不同手勢。這種逐步驅動過程模擬了傳統軟驅動器的多級運動控制，但無需復雜電路即可實現無線控制，有利于實際應用。

圖3 （a）未涂覆PDA和涂覆PDA PULCNCN-AZO薄膜的FTIR/ATR光譜。插圖是薄膜在不同狀態下的外觀圖；（b）不同光強下12H PDA涂覆PULCNCN-AZO薄膜表面溫度隨紅外光照射時間的變化曲線；（c）不同光強下12H PDA涂覆PULCNCN-AZO薄膜的形狀恢復率隨紅外光照射時間的變化曲線；（d）選擇性PDA涂覆薄膜的熱成像圖像和外觀圖片，比例尺:5mm；（e）手形驅動器的近紅外光局部控制過程示意圖，比例尺:10毫米。