《先进功能材料》光电刺激响应液晶聚合物网络涂层

来源：高分子科学前沿

响应性涂层表面结构对于涂层功能性的发挥具有很重要的意义，比如在自清洁、物体的运输、生物以及微流体方面的应用。开发对多种刺激响应的体系对于将响应性材料集成到智能器件具有关键性的角色，因为将传感和响应性集成到单个器件需要材料对于多种刺激都有具有响应性。在众多刺激里面，光可远程控制，无接触；电响应性则可以有助于将材料集成到现有电子产品中。来自荷兰埃因霍温科技大学（Eindhoven University of Technology）的科研小组（通讯刘丹青，DirkBroer，冯伟）报道了光和电共同刺激响应的液晶聚合物网络涂层。该涂层不仅可以对紫外光具有响应性，而且还对指叉电极产生的交流电场具有响应性。

图1. 液晶聚合物网络化学组成以及指叉电极示意图

具体地来说，聚合物中偶氮苯分子使得聚合物涂层可以对光具有响应性，而极性基团则赋予了涂层电响应性。在报道中所用的液晶涂层中，分子不是排列成单一的域（domain），而是具有不同取向的多域排列。施加外界刺激后，液晶涂层中不同的域对于刺激的响应性不同，导致涂层有些地方上升，有些地方下降。因此，宏观上看，原本光滑的涂层表面变得粗糙。施加多个刺激后，涂层的粗糙度进一步增加，同时施加电和光的表面结构变化幅度是单独施加光或电的变化幅度之和，表面结构变化可达涂层厚度的18%。

图2. 光与电驱动液晶聚合物表面结构发生变化

更有意思的是，研究表明，涂层表面结构变化不仅与现在时刻所施加的刺激有关，还与过去施加刺激的历史有关。当先撤去紫外光后撤去电场时，涂层表面结构可以恢复到初始的光滑状态；但是先撤去电场后撤去紫外光时，涂层表面结构依然保持在施加紫外光时导致的变形状态，此时可以再施加一个后续的电场信号借助电热效应来擦除变形使其恢复到初始光滑状态。（如图3所示）

图3. 施加光与电驱动过程中表面结构变化的动态分析

研究发现，这种多重刺激相应的表面可以用来改变表面摩擦系数，从而获得对表面性质的多重控制。如图4所示，在初始状态，涂层比较光滑，因此其临界滑动角较小（31°），对应的静摩擦因数μs=0.58。施加单一刺激（电/光）后，临界滑动角增加到52°/51°，对应的静摩擦因数μs=1.28/1.23。同时施加光和电以后，物体几乎可以在竖直的涂层上不脱落（临界滑动角85°，μs=11.43）。如果先撤去电后撤去紫外光，涂层表面仍具有一定的粗糙度，临界滑动角保持在50°左右；而如果先撤去紫外光，涂层表面恢复到初始的光滑状态，临界滑动角为30°。结果说明表面摩擦性质的变化与表面粗糙度对刺激的响应一致，不仅取决于现在时刻所施加的刺激，而且与刺激施加历史有关。这种现象与电子电路中的时序逻辑电路有异曲同工之处。

图4. 多重刺激响应表面在可调控摩擦表面的应用