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西北工业大学:他让材料“活”了

75°加热板上,一小片“塑料膜”仿佛有了生命,开始蠕动前行;激光直射下,一条“仿生虫”左右扭动,像是在躲避外界刺激......

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刺激响应聚合物在恒温热表面实现自行走

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刺激响应聚合物在激光恒定照射下实现仿生自维持变形

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自维持运动原理

这是西工大化学与化工学院葛飞杰教授研究成果的一部分,他正通过研究刺激响应聚合物对光照、温度等外界环境变化做出反馈性响应,进而发生物理、化学性质明显改变的特点,尝试制备出更多根据不同条件产生响应,或响应后发生更为丰富的性能变化的材料。

刺激响应聚合物是一种智能高分子,它们在受到温度、光、超声波、电场、磁场、水蒸气或化学气体等刺激后会产生特定响应,可表现为发光、变色、变形、运动等。

刺激响应聚合物的应用极为广泛,例如:作为卫星太阳能电池板的展开结构件。为了减少占用空间,卫星在成功进入预定轨道之前,它们的太阳能电池板都处于折叠状态。那么如何在地面远程将电池板展开?这就是刺激响应聚合物出马的时候了。它们作为太阳能电池板的展开结构件,一旦被加热就会自动打开,因此我们只需要发出信号,控制卫星提供电加热,刺激响应聚合物就能带动整个太阳能电池板展开,顺利地“沐浴”阳光了。

做药物释放的载体

医学治疗过程中,如果需要药物释放在特定身体部位,刺激响应聚合物也能助我们一臂之力。它可以包裹药物一同进入人体,由于其对能够穿透皮肤的红外线、超声波等有所响应,因此只要对准病灶发射红外线等信号,刺激响应聚合物即可变形张开,药物就被顺利地释放在目标位置了。这一应用未来或将为肿瘤的药物治疗提供新思路,可减少对人体其他健康组织的伤害。

作为软体机器

刺激响应聚合物等智能材料响应外界环境所产生的形变可驱动自身进行运动,而软体机器则是其中重要的应用领域。软体机器的模型大多来自于自然界的软体生物,它们通过仿生设计,能够实现爬行、翻滚、跳跃等运动模式。

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刺激响应聚合物模仿气膜泵做功

这片刺激响应聚合物正在模仿气膜泵做功。通过聚合物在恒温表面上进行的自维持运动带动小齿轮自主旋转,形成“热—机械—热”反馈回路。该反馈回路适用于许多热致相转变高分子材料,可为多领域借助各类大分子材料实现能量转化提供新思路。相关研究成果发表在国际知名学术期刊Chemical Science(化学科学)上。

葛飞杰教授告诉小编,刺激响应聚合物等智能高分子正向着多功能化、高智能化方向不断迈进。未来智能高分子或许将发展成为新型人工智能材料。它们无需芯片作为“大脑”,科学家只要巧妙应用其基本物理、化学特性,就能使它们感知环境变化,并根据收集到的环境信息来决定执行怎样的任务,做出怎样的行为,甚至做到自主决策。

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葛飞杰教授(右)和他的学生

葛飞杰教授于2021年加盟西北工业大学化学与化工学院特种功能与智能高分子工信部重点实验室,他主要研究方向为高分子的功能与智能化,现已开发出一系列光响应与热响应智能聚合物致动器,实现了光控可逆可调节驱动,自维持运动以及多功能仿生变形,推动了软体机器领域的发展。在Angewandte Chemie(德国应用化学)、Chemical Science(化学科学)、Advanced Functional Materials(先进功能材料)等知名期刊上发表多篇论文。

敢梦想、敢尝试、敢挑战、敢实现,化学与化工学院将继续坚持“四个面向”,开拓创新、直面问题、迎难而上,在智能高分子领域开拓出属于西工大的一片广阔天地。

“科研的魅力,有一部分在于它的不确定性,即使结果与预期不符,也可能会收获意外之喜。”葛飞杰教授说。

来源:西北工业大学

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