液晶高分子液晶高分子材料的应用

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液晶高分子（液晶高分子材料的应用）原创赛先生2021-03-24 09:23:25
“世界科学”联合“赛先生”微信公号，在上海市科学技术委员会资助下，开辟“走近科学”栏目，对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。本篇报道围绕2018年上海市科学技术奖自然科学奖一等奖项目《光响应高分子材料》展开，该奖项由复旦大学俞燕蕾教授领衔的团队获得。

导读
现代科学发展的重要成就之一，就是实现了机器的微型化和智能化。第一台电子计算机占地170平方米，重达30吨，而如今的笔记本电脑小巧轻便，可以随手放进背包。随着器件尺寸的进一步缩小，其能量来源逐渐成了一个大问题，因为在非常小的尺度上可能无法安装适合的电池。
人类热爱光明，对光的认识和利用始终伴随着人类的文明进程。从烛光到太阳能电池，光不仅使我们看清这个世界，也赋予我们一种清洁易获得的能源。如果我们能依靠光来远程控制物体，就可以舍弃电线和电池，很好地解决微型器件供能的难题。在大自然中，物体直接被光驱动的现象并不罕见，如向日葵会跟随太阳的方向转动，一些植物的叶片和花瓣可以随光照强度的不同展开和闭合，但大家也许一时还想不出人造材料中有这样的实例，那我们不妨先欣赏一个视频。
在视频中，薄膜不仅可以在磁铁的带动下自由平移，还能够随着光照的闪烁开合自如，像钳子一样抓取和释放重物，而这其中的奥秘便在于制作薄膜的材料。
接下来，就让我们一起走进光响应液晶高分子的精彩世界。

撰文 | 李研
责编 | 叶水送
01 偶氮苯与光响应高分子光响应高分子是指在吸收特定波长的光能后，能发生某些化学或物理反应, 并表现出性质或形态变化的一类功能高分子材料。[1, 2] 其中，像上面视频中那样在光照下发生形状或尺寸改变的现象，又被化学家称为“光致形变” 。
光响应高分子中通常含有对光敏感的化学基团。理论上，对光照敏感的有机化合物有很多，但从材料设计的角度，可逆的光化学反应无疑是更为理想的，因为这可以赋予材料在光照下多次使用、循环往复改变性质的可能。
偶氮苯是由氮氮双键（N=N）连接两个苯环组成的化合物，是目前研究和使用最为广泛的一类可逆光致异构分子。[3]
【液晶高分子液晶高分子材料的应用】偶氮苯光响应特性的发现可以追溯到上世纪30年代。1937年，英国化学家S. Hartley敏锐地观察到偶氮苯溶液暴露在阳光下后，测量的吸收光谱重现性很差。他没有轻易放过这一实验现象，并由此揭示了偶氮苯具有两种几何构型。[4]
图1：偶氮苯的光致顺反异构，以及1937年英国人G. S. Hartley发表的关于偶氮苯顺式构型的Nature 论文。(图源：参考文献4）
随后的研究发现，偶氮苯分子一般处于热稳定的反式结构，但可以在紫外光（330-380 nm）照射下发生从反式（trans）到顺式（cis）的构象变化。顺式构型自然状态下会逐渐变回到反式构型，如果用可见光照射或者加热，回复的过程会加快。
反式异构体是近似棒状的分子，顺式构型却呈现弯曲的V字形，两者微观结构存在较大的差异，科学家们便想到如果将这种对光敏感的基团引入高分子中，有没有可能制备出光照下可以发生宏观改变的材料呢？
早在上世纪70年代末，已经有化学家在该研究方向上做出尝试。比如，前捷克斯洛伐克的研究者将少量偶氮苯基团引入聚丙烯酸酯的侧链，发现高分子在紫外光照条件下会有1%的体积收缩。研究者仔细排除了温度影响等其他因素，确认这是光引发的偶氮苯异构带来的宏观变化。尽管1%的体积变化看似微不足道，但这仍是较早报道的一例光致形变高分子，将偶氮苯连接到高分子的侧链也成为一种赋予材料光响应特性的重要方法。[5]

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