可遥控的磁控+光敏双机械手带你走进光响应液晶高分子的精彩世界

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视频介绍

人类热爱光明，对光的认识和利用始终伴随着人类的文明进程。从烛光到太阳能电池，光不仅使我们看清这个世界，也赋予我们一种清洁易获得的能源。如果我们能依靠光来远程控制物体，就可以舍弃电线和电池，很好地解决微型器件供能的难题。但在大自然中，物体直接被光驱动的现象并不罕见，如向日葵会跟随太阳的方向转动，一些植物的叶片和花瓣可以随光照强度的不同展开和闭合，但大家也许一时还想不出人造材料中有这样的实例，但接下来的这个发明可能会带着你一起走进光响应液晶高分子的精彩世界。科学家给我们展示了一个远程控制的双磁和光敏柔性机器人抓手，该抓手是一个软性薄膜，它可以在磁铁的带动下自由平移，还能够随着光照的闪烁开合自如，像钳子一样抓取、装载、运输、旋转和释放货物。而这其中的奥秘便在于制作薄膜的材料。该光敏柔性机器人抓手由涂覆了光致变色偶氮苯染料的光致变色液晶聚合物薄膜，以及磁响应聚二甲基硅氧烷层组成。利用光来触发抓手，实现高度控制的自动抓取和提货。采用磁响应作为磁导向进行运动，使抓手在运动中既具有平移自由度又具有转动自由度，即使在封闭或密闭空间，也可以通过远程驱动实现控制。话说回来，涂覆的光致变色偶氮苯染料是其中的关键，偶氮苯是由氮氮双键连接两个苯环组成的化合物，是目前研究和使用最为广泛的一类可逆光致异构分子。它在紫外光照条件下会有1%的体积收缩，从而赋予材料光响应的特性。与此同时，偶氮苯基团的光致异构化过程与其分子结构以及所处的环境密切相关，经过多次试验发现，软性物质液晶高分子具有良好的协同作用，可以与偶氮苯形成“刚柔相济”效果，这将更有利于将外界刺激引起的分子结构变化放大为宏观的形变。于是，光响应高分子与液晶高分子就借助偶氮苯基团结下了“不解之缘”。在交联剂的作用下，两者可形成光响应液晶弹性体，在紫外光照射下，偶氮苯基团与主链的偶合作用使液晶弹性体沿着液晶基元排列方向发生收缩形变，形变量可以达到20%，而在可见光的照射下又能够恢复其原有的长度。相比于之前的非液晶高分子1%的形变量，是个不小的进步。此后，有关光响应液晶弹性体的研究工作取得一系列进展，而含有偶氮苯的液晶高分子薄膜是其中的主要研究热点。随着研究的深入，研究人员最终发现了能对光和磁双重响应的液晶高分子。也就是前面提到的由含偶氮苯的液晶聚合物膜和含磁性铁粉的聚二甲基硅氧烷涂层构成，可远程控制的双磁和光敏柔性机器人抓手。值得一提的是，光只是众多刺激因素之一。光还可以与电、磁、温度、湿度、pH值等其他刺激因素相结合，最终得到可以实现更为复杂运动的微型高分子机器。这些进步都拓宽了人们的设计思路，推动了光响应高分子的研究进程。好了，今天的节目就到这里了，我们下期再见。