兩種材料“聯(lián)姻”生出能變形變色、可自我修復(fù)“后代”

四芳基琥珀腈（TASN）具備力致變色性能，聚硅氧烷基液晶彈性體（LCE）是一種經(jīng)典的可逆變形材料，將兩種材料結(jié)合，能產(chǎn)生類似于變色龍和壁虎“聯(lián)姻”后的效果，即獲得善于偽裝、能自我修復(fù)的功能材料。

作為偽裝大師，蝰蛇毛毛蟲可以變形成蝰蛇形狀嚇跑捕食者，變色龍可以根據(jù)環(huán)境變化調(diào)節(jié)自己的膚色……數(shù)百萬年的自然進(jìn)化，賦予許多生物不同的求生技能。

生物的這種“主動避險”技能，也給了科研工作者研發(fā)新型仿生材料的靈感。近日，東南大學(xué)智能材料研究院院長、歐洲科學(xué)院院士、化學(xué)化工學(xué)院李全教授團隊利用四芳基琥珀腈（TASN）和聚硅氧烷基液晶彈性體（LCE），合成TASN-LCE材料。他們用這種材料構(gòu)建的海星狀軟驅(qū)動器，不僅可以隨著溫度變化而變形、響應(yīng)熱量變化和機械壓縮變換顏色，還能自愈合、再加工。相關(guān)成果近期在線發(fā)表于化學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》。

從生物的生存技能中獲取靈感

在自然界，偽裝是一種非常重要的生存策略。而另一種生存技能——“斷臂求生”則是通過犧牲部分肢體或器官以逃脫捕捉。一些海洋生物，如海星、章魚和墨魚等，幸運地具備了上述兩種自我保護能力。

受這些生物的啟發(fā)，近年來，科學(xué)家們開發(fā)了多種仿生智能軟驅(qū)動器，如人工章魚、人造花卉和變色龍仿生器件等。

“但是，多數(shù)仿生軟驅(qū)動器只能執(zhí)行一種或兩種功能模式，而將可逆形變、連續(xù)運動、顏色偽裝、自修復(fù)和可重塑等多種功能集成到單一的軟驅(qū)動器系統(tǒng)中仍是極具挑戰(zhàn)性的難題?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、東南大學(xué)教授楊洪介紹，針對此難題，團隊將一種特殊的材料——TASN中具有力致變色功能的基團鍵合到LCE中，構(gòu)建了一種集多種功能于一體的TASN-LCE材料。

“TASN具備力致變色性能，給它施加一個力或升高溫度，它就會變成紅色；溫度降低，它的顏色又會逐漸變淡。而LCE是一種經(jīng)典的可逆變形材料，它很有彈性，在外界刺激下，例如在紅外光的刺激下會運動、變形?！睏詈檎f。

材料“聯(lián)姻”后具有偽裝、自愈功能

更有意思的是，TASN和LCE兩種材料的結(jié)合，能產(chǎn)生類似于變色龍和壁虎“聯(lián)姻”后的效果。

“TASN與LCE組合成一個聚合物網(wǎng)絡(luò)后，聚合物鏈上會有TASN基團。當(dāng)溫度升高到一定程度時，TASN基團會斷裂、變紅，產(chǎn)生自由基，形成單個的聚合物分子鏈。而當(dāng)溫度降低時，含TASN的聚合物分子鏈又會再次結(jié)合在一起。但重新連接時，自由基可以選擇其他的鏈段，這就相當(dāng)于TASN以一種內(nèi)部再造的方式讓聚合物材料重新愈合了?！睏詈榻忉專@種材料變化過程，可以使材料重復(fù)使用和再次加工成型，延長了材料的使用壽命，并能滿足實際應(yīng)用中對材料多功能特性的要求。

在楊洪展示的一個實驗片段中，記者看到，一個用TASN-LCE材料制成的、具有Q彈功能的海星形狀的軟驅(qū)動器，在受熱后逐漸變紅，在近紅外光的照射下又慢慢向上翹曲、收縮。但當(dāng)回到常溫、消除照射后，“海星”又恢復(fù)如初。

如果將TASN-LCE材料制成的軟驅(qū)動器切割后重新拼接，經(jīng)過一定時間和溫度的修復(fù)，被切割的兩段材料又會再度合二為一?！半m然宏觀上看，材料又再次成型，但其實內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了變化?！睏詈檎f。

“這種新材料有望應(yīng)用于多功能仿生軟體機器人、視覺傳感器和人工偽裝等領(lǐng)域?！睏詈楸硎?，在一些機械裝置難以企及的區(qū)域，就可以讓能變形的、可自愈合的軟體機器人過去探測，繼而進(jìn)行遠(yuǎn)程智能作業(yè)。

不過，楊洪坦言，新材料想完成產(chǎn)業(yè)化，還需要一個漫長的過程，首先要解決的就是新材料的制作成本問題。

“合成TASN—LCE材料，過程很復(fù)雜，而且合成過程使用的化學(xué)試劑很昂貴，有的還有劇毒。”楊洪表示，想成為工業(yè)原料，這款材料還要進(jìn)行抗疲勞性等力學(xué)性能測試，這些都需要進(jìn)一步展開系統(tǒng)研究。