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浙江大学潘鹏举教授课题组《Mater. Horiz.》:基于高分子晶相转变构筑自演变材料
2021-12-16  来源:高分子科技

  自然界环境瞬息万变,许多生物体需要随时改变自身的颜色或形态来适应这种变化。受此启发,研究者已开发了“类生命”的自演变材料,在一定刺激下材料的性能可随时间动态演化,该类材料在信息传感、智能检测等领域具有良好的应用前景。体系中非平衡相到平衡相的结构转变是构筑自演变材料的主要机理,基于该机理,研究者已开发了含溶剂的高分子体系(如溶液、凝胶)的自演变材料。但是,基于高分子相转变,实现通用高分子材料(如塑料)在常温环境下的性能自演变仍具挑战。


  浙江大学潘鹏举教授团队基于高分子的多晶相转变,提出了构筑自演变材料的新方法。以轻度交联的商业化等规聚丁烯-1为基体,通过亚稳态晶相到热力学稳态晶相的结构转变,实现了可编控的图案信息和形状信息的动态演变。此外,溶液结晶可阻断亚稳态晶相到稳态晶相的转变,实现了图案信息和形状信息的永久保留。通过熔融重结晶,该材料可以循环使用和再编程(图1)。


图1. 基于高分子晶相转变的自演变材料的设计机理


  材料的晶相转变的速度显著依赖于温度和应力场。研究发现,与室温和无应力条件相比,低温时(如?25 °C)晶相转变的周期延长(图2a-c),拉伸取向后晶相转变周期缩短(图2d),而溶剂处理(溶液结晶)可阻断材料的晶相转变(图2i)。受晶相转变的影响,材料的宏观性能(如透明度、形状记忆行为)随时间发生自发变化(图2e-h)。


图2 材料晶相转变和性能的表征


  材料中多晶相的区域化调控,实现了图案信息的动态演变。基于区域化熔融和结晶,首先在材料中写入亚稳态晶相。在室温条件下,自发的晶相转变使亚稳态晶相区域的透明度先减小后增大,使图案信息随时间再现和消失。晶相转变完成后,图案信息消失,可通过熔融和再结晶进行信息的再次写入(图3a)。溶剂处理(溶液结晶)可阻断材料的晶相转变,使图案信息永久保留(图3b)。


图3 图案信息的自演变与调控


  利用不同晶相的熔点和形状记忆行为的差异,进一步实现了形状信息和动作信息动态演变和调控。对于区域化写入亚稳态晶相的样品,晶相转变的发生使材料的形状回复能力越弱,材料的变形能力和动作信息呈现随时间自主演变的特性(图4a)。通过调控不同区域的晶相转变时间,可获得“类生命体”的多样化的动作展示(图4b)。同样,通过溶剂处理(溶液结晶)阻断材料的晶相转变,可实现形状信息的永久保留和重现(图4c)。


图4 变形信息的自演变与调控


  上述成果以“Self-evolving materials based on metastable-to-stable crystal transition of a polymorphic polyolefin”为题发表在Materials Horizons 上(Doi: 10.1039/D1MH01691A)。论文第一作者为博士生袁文华,通讯作者为潘鹏举教授,该研究得到了国家自然科学基金、化学工程联合国家重点实验室(浙江大学)、浙江大学衢州研究院的支持。


  全文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/mh/d1mh01691a

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(责任编辑:xu)
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