被光「掰彎」的超分子凝膠

2021-02-07 高分子科學前沿


仿生思想一直是是材料科學進行材料創新的重要研究思路。這一次，來自日本的材料化學家Akira Harada 開發出新型超分子凝膠，這種材料可以在外部簡單光照刺激下發生伸縮運動。發明者將其形象地稱為「人工分子肌肉」。

（本研究中，Akira Harada發明的一種水凝膠。開始階段在右側用紫外光進行照射，材料逐漸向右側傾斜，隨後，在右側用可見光照射，材料又由傾斜恢復豎直。）

透過表象看分子

是什麼賦予了材料的光響應性?原來，研究者在超分子水凝膠內部使用了互鎖滑環結構，利用的是環糊精與偶氮苯類物質的超分子相互作用。在可見光照射下，環糊精與反式偶氮苯有著主客體相互作用，而在紫外光下，偶氮苯由反式變為順式，此時環糊精與偶氮苯將不再匹配並導致出現「滑環」現象，分子鏈的末端之間距離變近，單側光照射下該側材料內的分子更易發生這種反應，宏觀上表現為材料向某一側彎曲，於是，你就看到了文首圖片的現象。

（通過模型化合物展示的分子層次上的收縮與舒展。）

（凝膠分子結構示意圖）


(光響應超分子凝膠中發生的分子結構變化)

通過周期性地施加不同波段的光源，偶氮苯就發生了反式與順式的周期性改變，材料的收縮與舒展因此可以反覆進行多次，參見下圖（為方便觀察，播放速度進行了加快處理）。


幹凝膠——2.0版的「分子肌肉」

上述實驗研究對象只是水凝膠，為了提高其應用範圍，研究者將水凝膠凍幹，製成幹凝膠。比水凝膠更優越的是，幹凝膠響應速度極快，響應速度為水凝膠的10000倍以上。


（幹凝膠在單側紫外光照射下產生快速響應）

但是幹態凝膠也有著其固有缺陷，它沒有上述水凝膠的可通過周期性光照波長改變其伸縮形狀的性質。也就是說，紫外光把幹凝膠「掰彎」後，可見光沒法再把它「掰直」。研究者對此的解釋是：紫外光狀態下，偶氮苯變為順式，空間阻礙性使得環糊精必須滑脫移動，宏觀上發生與水凝膠一致的收縮現象，但是用可見光照射後，即便偶氮苯恢復為反式，由於材料為幹態，弱疏水相互作用無法發揮出其作用，環糊精就無法識別反式偶氮苯，宏觀上則無響應性出現。

不過，為了讓幹凝膠材料形變具備一些可逆性，研究者想出了一個妙招：在相反的一側施加紫外光。

另外，通過在多個局部位點施加光照，可以讓材料產生更複雜的曲折結構。


讓分子更智能

研究者希望這個技術可以應用多種場景中。作為一種概念的原型展示，他們給出了一種可用光來施加指令的高分子「手指」。

（用幹凝膠材料作為夾具的一個臂，該臂在紫外光下發生彎曲，可以成功夾取一根火柴。）

下一步，Akira Harada 希望他們的材料可以更快地移動，他們也希望這種材料能在分子驅動器、智能醫用材料等領域得到應用。

參考文獻：

Iwaso, K.; Takashima, Y.; Harada, A., Fast response dry-type artificial molecular muscles with [c2]daisy chains. Nat. Chem., 2016, DOI: 10.1038/nchem.2513


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