Adv. Funct. Mater.：热塑性光热聚合物实现3D打印、自修复的光驱动智能设备

【研究背景】

能够在液体表面运动的游泳装置在仿生运动、精确运输、诊断和治疗等领域显示出巨大的潜力。游泳装置主要有两种构筑策略：可逆变形产生的液体反作用力和表面张力梯度产生的Marangoni效应。液晶弹性体在光、热、电场、磁场等外界刺激下的可逆变形已被广泛应用于制作游泳装置。表面张力梯度可以由浓度梯度或温度梯度产生。化学添加剂包括铂纳米颗粒、表面活性剂和乙醇蒸汽被用来产生基于浓度的表面张力梯度来推动游泳装置。然而，化学添加剂难以可控释放，且其储存受限。近期，光热被应用于产生基于温度的表面张力梯度来推动游泳装置。与其他刺激相比，光具有远程、非接触和精确辐照的特征，可实现对设备运动的时空可控调制。然而，先前报道的基于光热的游泳装置通常需要高的温度梯度（>45℃）来产生足以驱动的表面张力梯度；同时采用的材料一般均为热固性，加工受限，难于实现游泳装置的定制化加工，也不具有期望的自修复等智能特性。

【成果简介】

近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室游正伟教授团队提出了光热塑料的新概念，设计了可光加热热塑性聚合物（聚癸二酰基-偶氮苯-4,4'-二酰基-二甘油酯，PSeDA），进而由此构建了可便捷定制、可智能运输、具有自修复特性的游泳装置。PSeDA具有良好的热塑性，可方便3D打印定制成不同形状的游泳设备。PSeDA能被紫外光快速加热，对应的器件可在光控下基于Marangoni效应发生游动。光热效应还实现了对其粘弹性的远程调控，从而对应的设备具有智能运输（包括捕获、传输和释放）和自修复的特征。作者进一步合成对可见光和近红外光响应的光热热塑性聚合物，证明了上述材料设计方法的通用性，将会开启光热塑料这一激动人心的材料研究新领域。该工作近日以“Thermoplastic Photoheating Polymer Enables 3D-Printed Self-Healing Light-Propelled Smart Devices”为题发表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图一、单组分热塑性PSeDA的设计与表征

（A）材料设计、结构和光热过程的示意图。

（B）固体PSeDA的紫外-可见吸收光谱研究其反式和顺式间的转变。

（C）不同光强下PSeDA的温度-辐照时间曲线。

（D-E）通过交替辐照实验，获得初始状态和贮存12个月时的PSeDA的温度-辐照时间循环曲线，探讨其光热稳定性。

图二、PSeDA粘弹性的光调控性质表征及其初步应用

（A）PSeDA的光诱导液化。

（B）PSeDA微图案的光控构建与擦除。

（C）在紫外光交替照射下，PSeDA循环流变粘弹性变化的定量分析。

（D）PSeDA样条的光诱导愈合。

（E）PSeDA光诱导焊接。

（F）用PSeDA粘接的两块玻璃板的光致可逆脱粘的照片和示意图。

（G）PSeDA可方便重塑成不同形状：珍珠壳，海螺，海星和蜗牛。

图三、3D打印PSeDA便捷构筑游泳装置

（A）通过3D打印定制的各种一体式游泳设备的照片。

（B）矩形游泳装置在紫外光照射下的直线游动。

（C）不同光强（350、400和500 mW cm⁻²）紫外照射下设备的位移和速度变化。

（D）通过照射游泳装置的不同位置，实现了旋转和弧线运动

（E）装置旋转角度和角速度随辐照时间的变化。

图四、游泳装置的运动机理

（A）鱼形装置的实际运动轨迹图。

（B）鱼形装置的3D打印示意图及其表面和截面结构的SEM图像。

（C）鱼形装置的运动机制示意图。

（D）基于PSeDA的游泳装置和已报道游泳装置的比较。

（E）3D打印的和模塑的游泳装置的运动速度的比较。

图五、游泳装置的智能按需运输和光修复

（A）通过紫外光辐照游泳设备的不同位置实现物体的可控运输。

（B）基于PSeDA粘弹性的光调控，3D打印游泳装置可实现对不同物体（包括塑料、纸箱和金属）的固定。

（C）智能运输展示，包括向目标的空载移动、光辅助捕获、在既定路线上的负载运输和负载释放。

（D-E）游泳装置的自修复过程及功能修复展示。

图六、对不同波长光响应的其他光热塑料的设计和表征

（A-B）可见光响应的聚氨酯和近红外光响应的聚酰胺的设计和结构。

（C）聚氨酯和聚酰胺的紫外-可见吸收光谱。

（D-E）不同光照强度下聚氨酯和聚酰胺的温度-辐照时间曲线。

（F）经光焊接前后的聚氨酯纳米纤维的SEM图。

【结论展望】

综上所述，该工作构建了一种新型的具有可定制、智能运输和自修复能力的一体式游泳设备。无需任何后期组装即可定制各种设备。游泳装置的3D打印微米级网格结构产生了高的推进力和多模式运动。更进一步，这是游泳设备里首次实现自修复和远程控制捕获、传输和释放。上述优点的关键在于新设计的光热塑性PSeDA。光加热为粘弹性，这一塑料的最重要的性能之一，提供了一种高效的时空可控的调节方式。更重要的是，作者通过合成对紫外线、可见光和近红外光敏感的材料，证明了光热塑料概念的普遍性。这项工作研制的游泳器件和材料的设计原理将启发下一代功能装置，并开创塑料的新领域，显著拓宽其应用范围。

文献链接：Thermoplastic Photoheating Polymer Enables 3D‐Printed Self‐Healing Light‐Propelled Smart Devices (Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202009568)

本文由大兵哥供稿。

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