偶氮苯液晶光子晶體的液相光驅動

　　近日，中國科學院理化技術研究所江雷院士、王京霞研究員在Adv. Funct. Mater.刊發了最新研究成果——《Janus結構與溶劑/熱/光協同促進的液相超級光驅動器》。

　　智能材料驅動器由于其在軟機器人、人工肌肉、發動機和能源轉換器等領域的潛在應用，一直受到人們的廣泛關注。實際上，由于成本低、無線驅動、快速響應等優點，光控人工驅動器更適合實現復雜的驅動行為。含偶氮苯分子的液晶是一種典型的基于反-順式光異構化的光響應材料。偶氮苯光驅動器的性能已從最初的簡單彎曲、扭轉，發展到微型機器人和液體輸送等新應用。但是，由于光控偶氮苯驅動器的驅動性能有限，目前還缺乏實際應用。

　　本論文通過將反蛋白石結構引入驅動器中，以制備不對稱的幾何結構，其中的反蛋白石的多孔結構與液相有較大的接觸面積，有利于液相驅動；同時基于偶氮液晶分子在厚度方向的梯度取向，實現了不對稱的化學組成分布。 基于如上的設計理念，本研究工作制備了一種以多疇偶氮苯反蛋白石結構為一側，單疇偶氮苯聚合物為另一側的液相Janus偶氮苯聚合膜（圖1）。基于Janus結構以及溶劑/熱/光和聚合物鏈段之間的相互作用，制備的薄膜在液相中表現出增強的驅動性能（圖2，例如彎曲角從20.8o增加到808.8o）。Janus結構提供了液相非均質溶脹的潛在驅動趨勢，溶劑/熱/光效應充分松弛了物理纏結的大分子鏈，改變了薄膜的力學性能，降低了偶氮苯分子異構化的能壘。最后，本研究工作還展示了Janus偶氮苯驅動器的潛在應用，如提拉重物、光/熱/溶劑驅動液相體系中環的滾動等。為設計和制備新型偶氮苯驅動器提供了一種簡便易行的方法。具體內容如下：

　　圖1 Janus偶氮苯光子晶體聚合膜的制備流程和相關表征

　　圖2 Janus偶氮苯光子晶體聚合膜的增強的液相光驅動行為和相關表征

　　所制備的驅動器基于Janus結構以及溶劑/熱/光和聚合物鏈段之間的相互作用的協同效應，在液相中表現出增強的光驅動性能。圖3展示了在乙醇（30 oC）底部紫外光照射下薄膜連續向前滾動。驅動器在液相中的運動，為血栓的疏通和藥物的釋放提供了潛在的應用前景。

　　圖3 Janus偶氮苯光子晶體聚合膜在液相環境中滾動行為

　　相關研究結果以 “Liquid-phase Super Photoactuator through the Synergetic Effects of a Janus Structure and Solvent/Thermal/Photo Responses”為題發表于AFM, 2021, DOI：10.1002/adfm.202105728。該文章通訊作者為中國科學院理化技術研究所王京霞研究員。第一作者為中國科學院理化技術研究所博士研究生劉俊超。中國科學院理化技術研究所江雷院士和日本中央大學Tomiki Ikeda教授為本研究提供了專業的指導和幫助。

　　此外，王京霞研究員團隊基于所制備的偶氮苯光子晶體,發展了無墨光控可重寫光子晶體紙。得到的光子晶體材料通過不同掩膜版可以實現在同一光子晶體材料表面不同圖案的制備和擦除，發展為可重寫的光子晶體紙張（圖4（C, D））。在同一偶氮苯光子晶體材料表面換不同形狀的掩模板在紫外光/可見光的交替照射下制備一系列不同的光子晶體圖案。例如，圖4（C1-C5）刻畫了滑雪的一系列過程。圖4（D1-D7）為長城，水立方和東方明珠等高分辨率圖案。寫入和擦除時間僅為2 s，重復性多于100次。相關研究結果以 “Inkless Rewritable Photonic Crystals Paper Enabled by a Light Driven Azobenzene Mesogen Switch”為題發表于ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 12383-12392。該文章通訊作者為中國科學院理化技術研究所王京霞研究員和華南師范大學王耀教授。第一作者為中國科學院理化技術研究所博士研究生劉俊超。中國科學院理化技術研究所江雷院士、日本中央大學Tomiki Ikeda教授和華南師范大學周國富教授為本研究提供了專業的指導和幫助。

　　圖4 基于偶氮苯光子晶體的可重寫光子晶體紙