浙江大學王宇平研究員Angew：利用光開關實現滑環聚合物機械性能的可控調節
2025-07-21 15:19:41
作者：本網發布 來源：高分子科學前沿
分享至：
在智能高分子材料領域，如何在材料合成后實現對其機械性能的動態調控一直是個關鍵科學問題。目前已報道的方法主要通過引入動態共價鍵或反應性小分子來實現，但這些策略往往受限于響應速度慢、可逆性差等不足。對此，浙江大學王宇平團隊開發了一種新策略，將光響應單元偶氮苯引入滑環聚合物體系，利用其光致異構化特性來調控大環組分的滑動空間，從而實現對材料力學性能的動態調節（圖1）。
圖1. 目前報道的聚合物網絡拓撲重構策略（A-B）以及本研究利用光控開關調控滑環聚合物機械性能示意圖（C-D）。研究人員設計了以偶氮苯為光敏單元、聚氨酯為骨架、偽輪烷為交聯劑的滑環聚合物體系。通過調節偶氮苯單元和聚四氫呋喃的比例，合成了一系列聚合物網絡PMA-SR A-C（圖2）。紫外-可見光譜分析證實，這些材料在365 nm光照20分鐘后，偶氮苯單元可實現從反式到順式的高效轉化，同時伴隨著明顯的顏色變化。這種光響應行為直接影響了材料中"分子滑輪"的運動空間，進而改變了聚合物的力學性質。
圖2. 聚合物的合成（A）、紅外（B）、熱穩定性（C）以及偶氮苯單元光響應性（D）的表征。具體而言，經過紫外光照射后，滑環聚合物PMA-SR B的彈性模量顯著提升了93%，同時斷裂伸長率從682%降至517%。與之形成鮮明對比的是，不含滑環結構的傳統共價交聯網絡Con-B在相同條件下表現出完全相反的力學行為。這一現象揭示了不同拓撲結構對光響應的獨特機制(圖 3)：在滑環網絡中，偶氮苯的順式構型會限制大環組分的運動空間，從而導致材料表現出更強的剛性；而在共價交聯網絡中，順式偶氮苯主要影響分子間的π-π堆積作用，導致兩種網絡表現出相反的力學性能變化趨勢。
圖3.PMA-SR A-C與Con-B在光照前后的力學性能（斷裂伸長率、彈性模量和韌性）展現相反變化趨勢。通過系統的動態熱機械分析，研究人員深入闡釋了這種光控行為的微觀機制（圖4）。在低應力條件下，材料行為主要由網絡中的氫鍵決定；而在高應力條件下，大環滑動開始主導材料的力學性能。這種獨特的"應力閾值響應"特性為設計智能阻尼材料提供了新思路。此外，循環拉伸實驗進一步證明了偶氮苯單元通過光照前后位阻的變化對PMA-SR中環的滑動空間及機械性能的調控作用（圖5）。
圖4. PMA-SR B與Con-B的蠕變測試與應力松弛測試。
圖5. PMA-SR B具有優于Con-B的能量耗散能力，并且其能量耗散能力在光照前后與Con-B相比展現出相反的變化趨勢。除了光機械響應特性，PMA-SR還具備環境友好的可降解性（圖6）。在溫和的還原條件下（水合肼/乙醇，80℃），材料中的偶氮鍵發生斷裂并導致大環解離，使整個網絡降解為可溶解的小分子。而對照網絡Con-B由于共價交聯節點的存在而不能完全降解。PMA-SR這種兼具性能可調性和可降解性的雙重智能特性，使其在柔性機器人等領域展現出廣闊的應用前景。
圖6.在相同條件下（水合肼/乙醇，80 ℃），PMA-SR B可完全降解，而Con-B不能完全降解。綜上，該研究發展了通過光控拓撲重構來調控材料性能的新策略，為自適應材料的設計提供了重要參考。該論文的第一署名單位為浙江大學化學系，王宇平研究員為唯一通訊作者，博士后王曉清和博士研究生余宸娟為共同第一作者。本研究工作獲得國家自然科學基金、浙江大學上海高等研究院繁星科學基金、四川大學高分子材料工程國家重點實驗室開放課題以及中國博士后科學基金的支持。
免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。
