上海交大陈玉洁、UCLA贺曦敏团队 Nano Lett.：高强度、光诱导双重形状可编程的共价适应性网络

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形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer）作为一类近年来快速发展的智能材料，能够实现在稳态与暂态间的形状转变。但是，主流的形状记忆聚合物只能实现对于暂态的编程行为，这大大限制了其应用的场合。如果能够对稳态进行编程，则意味着在没有熵变的情况下能够完成对初始状态的重塑，这将把材料的形状控制性提升至新的维度。在之前的研究中，热固性的聚氨酯材料由于其交联网络结构，兼具出色的机械性能、形状记忆效应与稳定性，但也不可避免地具有难降解的特点。

共价适应性网络（Covalent Adaptable Networks）为上述问题提供了解决办法，其作为热塑性与热固性材料的桥梁，通过动态的键交换反应，使得热固性材料具有一定的热塑性行为。但是，大部分的共价适应性网络很难兼具出色的力学性能与形状记忆效应，并且几乎所有共价适应性网络的塑性行为都是基于热刺激，这种直接引发很大程度上限制了材料的实际应用环境。因此，采用远程、无毒的可见或近红外光作为刺激源，可以精准地控制材料的形变行为，无疑是更佳的选择。同时，相比于传统的金属氧化物、碳材料等光热转化颗粒而言，MXene作为一种新型的二维材料，在表现出良好光热转化效应的同时，具有出色的透明度而非黑色。然而，关于MXene光热转化效应影响因素的研究大多只是停留在表面，亟待研究者们进一步探索。

图1 MXene/PU复合材料的制备以及MXene的相关表征。

针对上述问题，上海交通大学陈玉洁副研究员和加州大学洛杉矶分校贺曦敏副教授团队设计了一种MXene/PU的纳米复合材料。研究者通过熔融盐法对MAX进行刻蚀，制备了一系列具有不同金属元素插层以及不同层数的MXene，其中Co-d-MXene展现出了最佳的光热转化性能，在可见光或近红外光辐射下，均可达到240℃以上。经过实验与模拟分析，MXene的结构参数与光学参数均对其性能有关键的影响。

图2 MXene/PU复合材料的物理与热机械性能。

将MXene引入到聚氨酯交联网络之后，由于颗粒增强效应与氢键作用，复合材料的机械性能进一步提升（拉伸强度与断裂应变最高为16.31 MPa和1042%），综合性能由于常见的共价适应性网络。同时，动态力学分析表明该符合材料可以实现完全的应力释放，满足Arrhenius公式，具有热塑性，可以实现基于动态共价键的拓扑转变行为。此外，在低于100℃的环境中，复合材料仍表现出优异的基于熵弹性的形状记忆效应。因此，复合材料可以同时实现弹性的形状记忆行为与塑性的拓扑重构，二者分别基于互不干涉的熔融温度（T_m）与键交换引发温度（T_i）。

图3 MXene/PU复合材料的光响应行为。

经过测试，复合材料在0.50和1.00 W cm⁻²的光照下、在200 s内分别可达98.8和157.4℃，因此这两种光强可以分别被用于引发形状记忆效应与拓扑转变，即所谓的光诱导双重形状可编程行为。并且，由于聚氨酯体系在升温后会出现明显的结晶度变化，从而导致宏观的透明度变化，复合材料具有被用于信息识别、光致书写、柔性显示等领域的潜力。

图4 MXene/PU复合材料的可重构以及多重编程能力。

除此之外，基于拓扑转变，复合材料展现出了光致自修复以及热压可重构的能力，经过多次重构后仍具有良好的力学性能与双重形状编程行为。综上所述，此类材料兼具了弱光引发暂态形状记忆、强光引发稳态拓扑转变、热压可重构的多重形状编程能力，在提升综合形状记忆性能的同时解决了形状记忆聚合物回收的痛点。相关工作成果发表在Nano Letters，上海交通大学博士研究生陈驰为文章的第一作者，上海交通大学陈玉洁副研究员和加州大学洛杉矶分校贺曦敏副教授为通讯作者。

原为链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c02181

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