本文转自:科技日报

四芳基琥珀腈(TASN)具备力致变色性能,聚硅氧烷基液晶弹性体(LCE)是一种经典的可逆变形材料,将两种材料结合,能产生类似于变色龙和壁虎“联姻”后的效果,即获得善于伪装、能自我修复的功能材料。

作为伪装大师,蝰蛇毛毛虫可以变形成蝰蛇形状吓跑捕食者,变色龙可以根据环境变化调节自己的肤色……数百万年的自然进化,赋予许多生物不同的求生技能。

生物的这种“主动避险”技能,也给了科研工作者研发新型仿生材料的灵感。近日,东南大学智能材料研究院院长、欧洲科学院院士、化学化工学院李全教授团队利用四芳基琥珀腈(TASN)和聚硅氧烷基液晶弹性体(LCE),合成TASN-LCE材料。他们用这种材料构建的海星状软驱动器,不仅可以随着温度变化而变形、响应热量变化和机械压缩变换颜色,还能自愈合、再加工。相关成果近期在线发表于化学领域国际顶级期刊《德国应用化学》。

从生物的生存技能中获取灵感

在自然界,伪装是一种非常重要的生存策略。而另一种生存技能——“断臂求生”则是通过牺牲部分肢体或器官以逃脱捕捉。一些海洋生物,如海星、章鱼和墨鱼等,幸运地具备了上述两种自我保护能力。

受这些生物的启发,近年来,科学家们开发了多种仿生智能软驱动器,如人工章鱼、人造花卉和变色龙仿生器件等。

“但是,多数仿生软驱动器只能执行一种或两种功能模式,而将可逆形变、连续运动、颜色伪装、自修复和可重塑等多种功能集成到单一的软驱动器系统中仍是极具挑战性的难题。”论文通讯作者之一、东南大学教授杨洪介绍,针对此难题,团队将一种特殊的材料——TASN中具有力致变色功能的基团键合到LCE中,构建了一种集多种功能于一体的TASN-LCE材料。

“TASN具备力致变色性能,给它施加一个力或升高温度,它就会变成红色;温度降低,它的颜色又会逐渐变淡。而LCE是一种经典的可逆变形材料,它很有弹性,在外界刺激下,例如在红外光的刺激下会运动、变形。”杨洪说。

材料“联姻”后具有伪装、自愈功能

更有意思的是,TASN和LCE两种材料的结合,能产生类似于变色龙和壁虎“联姻”后的效果。

“TASN与LCE组合成一个聚合物网络后,聚合物链上会有TASN基团。当温度升高到一定程度时,TASN基团会断裂、变红,产生自由基,形成单个的聚合物分子链。而当温度降低时,含TASN的聚合物分子链又会再次结合在一起。但重新连接时,自由基可以选择其他的链段,这就相当于TASN以一种内部再造的方式让聚合物材料重新愈合了。”杨洪解释,这种材料变化过程,可以使材料重复使用和再次加工成型,延长了材料的使用寿命,并能满足实际应用中对材料多功能特性的要求。

在杨洪展示的一个实验片段中,记者看到,一个用TASN-LCE材料制成的、具有Q弹功能的海星形状的软驱动器,在受热后逐渐变红,在近红外光的照射下又慢慢向上翘曲、收缩。但当回到常温、消除照射后,“海星”又恢复如初。

如果将TASN-LCE材料制成的软驱动器切割后重新拼接,经过一定时间和温度的修复,被切割的两段材料又会再度合二为一。“虽然宏观上看,材料又再次成型,但其实内部微观结构已经发生了变化。”杨洪说。

“这种新材料有望应用于多功能仿生软体机器人、视觉传感器和人工伪装等领域。”杨洪表示,例如,在一些机械装置难以企及的区域,就可以让能变形的、可自愈合的软体机器人过去探测,继而进行远程智能作业。

不过,杨洪坦言,新材料想完成产业化,还需要一个漫长的过程,首先要解决的就是新材料的制作成本问题。

“合成TASN—LCE材料,过程很复杂,而且合成过程使用的化学试剂很昂贵,有的还有剧毒。”杨洪表示,想成为工业原料,这款材料还要进行抗疲劳性等力学性能测试,这些都需要进一步展开系统研究。