近日，來自荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)的荷蘭皇家科學(xué)院院士Dirk J. Broer教授課題組和美國肯特州立大學(xué)的Robin L. B. Selinger教授課題組合作，通過對偶氮苯衍生物進(jìn)行修飾，得到了順式到反式熱弛豫過程較快的衍生物，摻雜形成的高分子薄膜可以在紫外光作用下產(chǎn)生連續(xù)、定向的宏觀爬行運(yùn)動(dòng)。
不同形狀的紫外響應(yīng)材料運(yùn)動(dòng)情況
科研人員將薄膜一端固定，用紫外光照射另一端，發(fā)現(xiàn)含有A6MA薄膜在紫外光照射后會(huì)彎曲，但是關(guān)掉紫外光后，該薄膜很難恢復(fù)；而含有分子I或II的薄膜隨著光照開關(guān)會(huì)立刻發(fā)生彎曲和恢復(fù)。
這是令人意外的地方，因?yàn)槌叵逻@兩個(gè)分子的恢復(fù)時(shí)間應(yīng)該遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)中觀察到的時(shí)間，作者認(rèn)為這可能是由于紫外光照導(dǎo)致薄膜局部溫度升高，從而縮短了分子的弛豫時(shí)間，事實(shí)上，通過檢測發(fā)現(xiàn)薄膜的溫度可以在照射過程中升高至85 ℃，這個(gè)溫度下，分子I和II的弛豫時(shí)間分別降低至低于2秒和1秒。當(dāng)作者用紫外光間斷照射薄膜時(shí)，一只人造高分子“毛毛蟲”出現(xiàn)了。
摻雜不同分子的薄膜紫外光響應(yīng)情況
當(dāng)薄膜兩端都固定在基底上并用紫外進(jìn)行照射時(shí)，薄膜會(huì)產(chǎn)生一種蛇形的連續(xù)波，同時(shí)這種波的頻率和方向與薄膜接受光照的面的偶氮苯衍生物排列有關(guān)——當(dāng)平行面接受光照時(shí)，波向著光照方向運(yùn)動(dòng)，波動(dòng)頻率高達(dá)2.5 s-1；當(dāng)垂直面接受光照時(shí)，波逆著光照方向運(yùn)動(dòng)，波動(dòng)頻率僅為0.8 s-1。具體原因如下：光照時(shí)平行排列的分子導(dǎo)致薄膜沿長度方向劇烈收縮，因此光照部位向下彎曲；垂直排列的分子使薄膜沿厚度方向劇烈收縮。
由于形變導(dǎo)致的自遮蔽效應(yīng)使得不同部位交替接受光照，從而產(chǎn)生了連續(xù)的波動(dòng)。同時(shí)，光照的角度以及強(qiáng)度都影響著波動(dòng)的頻率。此外，與前期作者的猜想一致的是，光照的部位溫度顯著升高，薄膜的各處的溫度變化與波動(dòng)完美吻合。
為了進(jìn)一步研究薄膜產(chǎn)生波動(dòng)及決定波動(dòng)速度、方向的機(jī)理，作者采用有限元彈性動(dòng)力學(xué)分析研究了薄膜在光照下的波動(dòng)情況，模擬結(jié)果表明光誘導(dǎo)的振蕩、自遮蔽效應(yīng)和力學(xué)限制足以產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)中觀察到的連續(xù)波動(dòng)。
