自组装聚合物薄膜的各向异性响应

来源：高分子科学前沿

自然界中，有机体通过多功能协同变形和运动来对外界环境变化进行响应。如今，已有多种合成的生物材料体系可以通过仿生模拟在外界刺激的条件下实现单一驱动，但如何在人工材料中实现多维度的、复杂连续的运动仍然是极具挑战的。

近日，中国科学技术大学的刘波教授领导的研究小组，通过使用硫酸质子化的melem（3-s-三嗪环为结构基元）和甲醛为起始反应物，在溶液相中通过一步法从一维链组装成出具有本征各向异性和结构梯度的二维薄膜。

薄膜合成示意图

这种具有清晰一维纹理的聚合物材料在不同溶剂刺激下，可在宏观上表现出各向异性的弯曲行为。将该薄膜置于非极性溶剂（如正戊烷）中，非极性分子可与沿厚度方向存在聚合梯度的非极性一维链发生范德华相互作用，从而发生沿纹理方向的弯曲。而极性溶剂（如水）可以通过与用来连接垂直于一维链的极性焦硫酸基团（在厚度方向上存在交联梯度）发生强氢键相互作用，从而发生垂直于纹理方向的弯曲。也就是说，在该体系中，沿薄膜上下表面的梯度是使其发生弯曲的主导因素，而弯曲的方向则取决于不同性质的溶剂和薄膜之间的相互作用，从而在整体上使薄膜表现出各向异性响应行为。

薄膜在不同极性溶剂中的响应机制及各向异性运动行为

考虑到上述行为，将薄膜交替在不同极性的溶剂中，通过溶剂与薄膜的相互作用以及不同溶剂的交换，可实现连续、稳定的各向异性驱动（见视频）。而这一系列驱动在溶剂中所耗散的能量可被收集并进一步用来带动传动装置。

刘波教授表示，这种简易、快速的自组装合成智能柔性薄膜的方法，在制备过程中就同时引入了微观结构上的各向异性和材料在厚度方向上的结构梯度，通过不同的外界刺激可以使薄膜实现复杂的、可回复的各向异性驱动。这种刺激响应性的结构体系使得在单一材料中将宏观各向异性和多尺度驱动整合，从而有希望应用于柔性驱动器，智能机器人和感应器等领域。

参考文献：

Wang Y.; Wu, N.; Liu, C., Albolkany, M. K.; Wang, M.; Wang, Y.; Arooj, S., Zhang, W.; Liu, B. Stimuli-responsive anisotropic actuation of melem-formaldehyde polymer 2019, doi: 10.1039/c9mh00521h