神奇的光調控!電子科技大學聯合團隊開發新方法 可實現材料的定向...

神奇的光調控！電子科技大學聯合團隊開發新方法 可實現材料的定向生長

 Evelyn Zhang • 2020-03-05 18:35:07　來源：前瞻網　E3109G0

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天然有機結構是通過一種吸收、運輸和整合養分的生長方式形成的。相反，合成架構是通過根本不同的方法（例如組裝、模製、切割和印刷）構建的。如何通過合理的設計來更好的模擬生長這種行為，以此來研究其在生物工程方面的應用，於材料研發而言是一大重點。

近日，德國萊布尼茨新材料研究所/電子科技大學崔家喜教授團隊與上海科技大學的鄭宜君教授通過使用光調控的分子轉移來實現了材料的定向生長。該研究成果發表在國際頂級期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上，題為「Light-regulated growth from dynamic swollen substrates for making rough surfaces」。

在論文中，研究團隊報告了通過耦合光解、光聚合和酯交換反應，從膨脹的動態基質表面調節微結構的局部生長的光誘導策略。

作者稱，光解作用用於產生可解離的離子基團，以增強溶脹能力，從而將含有可聚合成分的營養液驅入照射區域，光聚合將可聚合成分轉化為聚合物，酯交換反應將新形成的聚合物摻入原始網絡結構中。

這種受光調節的生長在空間上是可控制的並且是劑量依賴性的，並允許對生長結構的尺寸、組成和機械性能進行精細調節。研究團隊還證明了該方法在製備表面微結構和恢復大規模表面損傷中的應用。

生命有機體能夠通過一種生長模式創造出各種引人入勝的微觀結構。在自然生長過程中，養分被吸收到體內，在內部運輸，然後按照內在代碼的指令整合到有機體中。與自然界中這種完全動態和開放的方法相反，合成材料具有自組織機制，無法不斷吸收外部質量而不損害材料的完整性。

研究報告了一種光調節策略，以控制從溶脹的基材表面的微結構的局部生長。在其設計中，將三種反應——即光解、光聚合和酯交換反應耦合在一起，以引導截留在基質中的液體組分的運輸，將液體中的可聚合組分轉化為聚合物，以及重新配置新形成的和原始聚合物。這些反應的結果是，微結構可以直接從平坦的基板上生長而無需任何預編程。發達的光誘導生長方法是空間可控的、劑量依賴性的和可多次觸發的，可用於創建各種粗糙表面或恢復大規模的表面損傷。

圖1(a)可生長的「種子」的組成部分。 (b)溶脹的「種子」。用於溶脹的培養液包括單體，交聯劑，光引發劑和酯交換催化劑。(c) 選擇性紫外光在溶脹基材表面的照射。硝基苯分子的光解可以產生可電離的離子對，該離子對可以誘導液體組分向被照射區域的遷移。(d) 光聚合產生新的聚合物。 (e) 通過酯交換，新產生的聚合物網絡可以和原先的聚合物網絡融合在一起。

圖2a顯示了從平面溶脹的「種子」表面（20％）光誘導的柱狀生長的圖像。在紫外線照射過程中，規則結構從材料表面的照射區域緩慢生長，並且在測試期間，此支柱的高度可以達到250μm。

圖2b顯示了通過生長柱高評估的生長過程。365nm或460 nm的光照射引發了20％溶脹的種子的生長過程。暴露於365 nm的光會觸發聚合和光解反應，而460 nm的光只會引起聚合。在這方面，可以使用460nm的光進行實驗，以評估光解反應的貢獻。兩種光的照射強度是相同的（10 mW cm-2），並且這種設計用於實現類似的光聚合效果（光聚合轉化率在2 min內達到平穩狀態）。在用365nm的光照射後，生長結構的高度在最初的5 min（75μm）中迅速增加，並在50 min內達到250μm的平穩狀態。生長的樣品在黑暗中過夜保存後仍保持其形狀。相比之下，對照樣品中也發生了生長，但是在平臺處生長的結構的高度明顯較小（70μm）。

被光控制的增長

光誘導的生長不僅是局部的，而且在時間上也是可控制的。研究人員在「種子」表面（20％）通過切換照射光來證明這種能力。

如圖3a所示，可以僅通過實施照射來觸發生長。例如，生長的結構的高度在激活的第一分鐘內增加到25μm，並且當關閉光源時生長停止。通過打開燈來重新開始生長。這種「開-關」調製可以一直擴展到增長達到平穩。另外，還研究了包括「種子」的交聯度，照射區域的直徑和光強度在內的幾個參數來調節生長。將「種子」的交聯度提高20％會降低其溶脹能力以及高原狀態下生長結構的高度。隨著照射直徑的增大，在平臺狀態下的生長高度從266μm增加到600μm，但是在>600μm的範圍內下降。研究人員將這種增加歸因於光聚合引起的熱效應（溫度升高會加速液體分子的擴散速率，從而加速其生長）。增加輻射直徑有利於溫度升高也延長了擴散距離，因此減少了生長。在較大的直徑範圍（>600μm）中，這種減小效果變得更加明顯。對於光強度的降低，由於較慢的光解和聚合反應而降低了生長。

參考來源：Light-regulated growth from dynamic swollen substrates for making rough surfaces

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14807-x

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