西安交通大学陈鑫教授/白永康副教授课题组：从切苹果到原位生成构建近红外光响应三段形状记忆材料
近红外光响应形状记忆聚合物因其远程控制等优势在光驱动器、光控微流体器件及生物医学装置等领域有着重要的应用前景。目前制备近红外光响应形状记忆聚合物的常用方法是将贵金属纳米颗粒等光热转化材料引入热响应形状记忆聚合物，但为了提高光热材料在聚合物中的相容性一般需要采用表面改性、原位接枝等手段。同时传统的贵金属纳米颗粒或石墨烯等材料均涉及复杂的合成过程，这些因素的存在会大大提高材料制备的难度和成本。因此如何通过一种简单易行的手段制备近红外响应形状记忆材料仍是目前该研究的一个难点。
在生活中，我们会发现苹果或梨用铁刀切了以后，表面会变黑。这是由于苹果或梨等水果的细胞里含有单宁酸，单宁酸与铁离子化合会生成黑色的单宁酸铁纳米颗粒，而该纳米颗粒则具有优异的光热转化性能。受此启发，西安交通大学化工学院陈鑫教授/白永康副教授课题组采用原位生成的方法将单宁酸铁纳米颗粒（FeTA）引入固态的热响应形状聚合物中。他们首先采用商业化的乙烯-乙烯醇共聚物作为聚合物基底，通过二异氰酸酯交联得到热响应形状记忆聚合物，并在此过程中引入铁离子。然后，只要简单的将所制备的固态薄膜浸入单宁酸溶液中，即可制备具有高光热响应性能的形状记忆复合材料。
图 1 （a）和（b）复合材料的光热转化性能；（c）和（d）复合材料近红外光响应形状记忆行为
通过对复合材料微观形貌、机械性能、光热转化效应等性能的研究发现，FeTA纳米颗粒能够均匀地分散在聚合物基底中，使得材料不仅能够体现出优异的机械强度，同时能够实现优异的光响应形状记忆性能。如图1所示，材料的光热转化性能会随浸泡时间及铁离子含量的变化而变化。而对于无论是弯折或拉伸试验，复合材料都能够在近红外光的刺激下快速回复至其原始形状。
图2 （a）复合材料的热致三段形状记忆性能；（b）复合材料的光致三段形状记忆性能；（c）分段复合材料的光致三段形状记忆性能。
在光响应性的基础上，形状记忆聚合物的多段响应性能够增加材料形状变化的设计性及复杂性，从而进一步拓展材料的应用前景。在该研究中所采用的乙烯-乙烯醇共聚物，兼具有聚乙烯醇及聚乙烯的转变温度，因此具备了实现三段形状记忆性能的结构基础。如图2所示，通过动态热机械分析仪的热力学循环表征，复合材料的确能够实现优异的热致三段形状记忆性能。而通过调控近红外光源的功率密度，研究发现该复合材料还能够实现光致三段形状记忆行为。此外，课题还进一步研究了该复合材料在光致驱动器中应用，结果发现该材料能够拉动自身重量1600倍的负重，使得该材料在光驱动器件中有着广泛的应用前景。
图3 （a）和（b）复合材料的光致驱动负载行为；（c）复合材料的回复力
该研究工作以“Novel Near-Infrared Light-Induced Triple-Shape Memory Composite Based on Poly(ethylene-co-vinyl alcohol) and Iron Tannate”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。该研究工作主要由西安交通大学化工学院白永康副教授完成，陈鑫教授为通讯作者，西安交通大学化工学院为唯一通讯单位。该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金等项目的大力支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c05166
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