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液晶高分子材料的应用 液晶高分子

液晶高分子(液晶高分子材料的应用)原创赛先生2021-03-24 09:23:25
“世界科学”和“赛老师”微信公众号，由上海市科委资助，开设“走近科学”专栏，对国家和上海市科技奖成果进行科普报道 。本报告重点介绍了2018年上海市科学技术奖自然科学奖一等奖项目——光响应高分子材料，该项目由复旦大学于教授带领的团队获得 。
指导阅读
现代科学发展的重要成果之一是机器的小型化和智能化 。第一台电子计算机占地170平方米，重30吨，但现在的笔记本电脑又小又轻，可以很方便地放进背包里 。随着设备尺寸的进一步减小，其能源逐渐成为一个大问题，因为可能无法在非常小的规模上安装合适的电池 。
人类热爱光，对光的认识和利用始终伴随着人类文明的进步 。从烛光到太阳能电池，光不仅让我们看清了这个世界，也给了我们一种清洁易得的能源 。如果能依靠光来遥控物体，就可以抛弃电线和电池，解决微型器件的供电问题 。在自然界中，物体被光直接驱动并不少见 。比如向日葵会朝着太阳的方向旋转，有些植物的叶子和花瓣可以随着不同的光照强度开合 。不过，你可能一时想不出人工材料中有这样的例子，我们不妨先欣赏一段视频 。
视频中，薄膜不仅可以在磁铁的驱动下自由平移，还可以随着光线的闪烁自由开合，像钳子一样抓取和释放重物，秘密就在于制作薄膜的材料 。
接下来，让我们一起走进光响应液晶聚合物的奇妙世界 。
作者|李燕
编辑|叶水松
01 偶氮苯与光响应高分子
光响应聚合物是指在吸收特定波长的光能后，能够发生一些化学或物理反应，表现出性质或形态变化的一类功能高分子材料 。[1，2]其中，像上面视频中那样在光照下形状或大小发生变化的现象也被化学家称为“光致变形” 。
光响应聚合物通常含有对光敏感的化学基团 。理论上，对光敏感的有机化合物有很多，但从材料设计的角度来看，可逆光化学反应无疑更为理想，因为它能赋予材料在光下重复使用和循环改变性质的可能性 。
偶氮苯是由氮-氮双键(N=N)连接的两个苯环组成的化合物，是研究和应用最广泛的一类可逆光异构化分子 。[3]
偶氮苯光响应特性的发现可以追溯到20世纪30年代 。1937年，英国化学家s·哈特利敏锐地观察到，偶氮苯溶液暴露在阳光下后，测得的吸收光谱重现性很差 。他没有轻易放过这个实验现象，并由此揭示了偶氮苯有两种几何构型 。[4]
图1:偶氮苯的光致顺反异构化，英国G. S. Hartley于1937年发表的《自然》杂志关于偶氮苯顺式构型的论文 。(资料来源:参考文献 。4)
随后的研究发现，偶氮苯分子一般处于热稳定的反式结构，但在紫外光(330-380 nm)的照射下可以发生从反式到顺式的构象变化 。自然状态下顺式构型会逐渐变回反式构型，如果用可见光照射或加热，恢复过程会加快 。
反式异构体是棒状分子，但顺式构型是弯曲的V形 。这两种分子的微观结构有很大的不同 。科学家们想过，如果将这种光敏基团引入聚合物中，是否有可能制备出在光照下可以发生宏观变化的材料？
早在20世纪70年代末，化学家们就已经在这一研究方向进行了尝试 。例如，前捷克斯洛伐克研究人员在聚丙烯酸酯的侧链上引入少量偶氮苯基团，发现在紫外线照射下，聚合物的体积会收缩1% 。研究人员仔细排除了温度等其他因素，确认这是光引发偶氮苯异构化引起的宏观变化 。虽然1%的体积变化看似微不足道，但仍是较早报道的光致形变聚合物 。将偶氮苯连接到聚合物的侧链也成为赋予材料光响应特性的重要方法 。[5]
图2:1981年报道的侧链含偶氮苯的聚合物 。(资料来源:参考文献 。5)
02 如何让光响应更加敏感
偶氮苯基团的光异构化过程与其分子结构和环境密切相关 。在溶液中，偶氮苯分子从反式到顺式的转化速度可短至一秒钟[6]，但在固体聚合物中，由于分子链的空间位阻效应，构型转化会受到很大阻碍，因此不容易找到对光敏感、对实际需要有响应的高分子材料 。
考虑到光引起的宏观变形，如果材料刚性太大，必然会限制变形的幅度和速度，但如果完全在溶液中，我们就不能把它作为固体功能材料 。因此，我们需要在灵活性和有序成型之间找到适当的平衡 。因此，一些刚柔相济，介于固体和理想流体之间的“软物质”受到了研究者的特别关注 。[6-8]
软性物质包括液晶、凝胶、生命大分子等 。对于光响应材料来说，液晶聚合物是一种非常特殊和重要的软材料 。[9,10]


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