南开大学张振杰课题组Acc. Chem. Res.:刺激响应型晶态智能材料 - 理性设计、合成和应用
刺激响应型智能材料是一种可以在光、热、气、电、pH等外部刺激下发生可逆的化学/物理变化的功能材料,在传感器、光电器件、医学工程、机器人、信息存储等领域得到广泛关注。目前刺激响应型智能材料主要由聚合物、碳材料、水凝胶等无序材料构成,存在响应速度较慢、能量转换效率低、缺乏基于清晰结构的理性设计等问题。
与非晶态材料相比,晶态材料具有可设计、各向异性、三维有序延展的规则结构,其在智能材料领域具有诸多优势:(1)响应基团在晶态材料中形成有序的分子阵列,使外部刺激信号和响应位点之间的能量传递更快、更有效;(2)清晰明确的晶态结构有助于通过原位光谱、单晶/粉末X射线衍射等技术在分子水平上原位研究其结构转变,从而有利于阐明智能响应机理和构效关系;(3)晶态材料可具有多孔性,能够促进刺激源的富集和作用,并为智能响应(如形变)提供空间。
然而,晶态智能材料(Crystalline Smart Materials, CSMs)仍然存在一些亟待解决的挑战。例如,随着结晶度的增加,材料的加工性和机械性能通常会下降;此外,晶态材料多以粉末微晶状态存在,晶体尺寸/形状难控,不可避免的导致较差的力学性能,难以直接加工制备成宏观系统,制约其在智能材料领域的应用。
图二 光/气响应基团及所组装的晶态智能材料
针对上述挑战,该团队开发了多种晶态材料的化学/物理改性策略(图三,图四),突破了晶态智能材料的加工成型瓶颈。受自然界生物材料构成(如肌肉组织、骨骼)的启发,作者通过“自上而下”方法构建了多层级智能材料系统,并通过“自下而上”方法组装了“晶态人工肌肉”智能材料系统,搭建了微观结构与宏观性能间的桥梁,并实现了多方面的创新应用(气体传感器、仿生机器人、能源转化器等)。
图三 物理改性策略构建智能材料系统实现仿生运动或能量高效转换(产电)
图四 化学改性策略构建“晶态人工肌肉”智能材料系统实现仿生运动
原文链接:
Stimuli-Responsive Crystalline Smart Materials: From Rational Design and Fabrication to Applications
Dong Yan#, Zhifang Wang#, and Zhenjie Zhang
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00027
导师介绍
张振杰课题组:
https://www.x-mol.com/groups/zhang_zhenjie
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