光驱动分子马达材料的设计与应用

光驱动分子马达材料的设计与应用

新材料行业所产生的高技术含量、高附加值的经济效益和社会效益越来越受到各个国家关注和重视。对于我国节能环保、高端装备制造、新能源等新兴产业战略实施同样需要新材料产业提供支撑和保障；另一方面，我国原材料工业规模巨大，环境约束日益强化，也迫切需要通过发展新材料产业，助推材料工业升级转型，培育新的增长点。本文以节能环保为研究理念，通过分子马达的思路设计，获得一种光控新材料。该材料通过试验检测得到在常温下即可通过光照来驱动分子结构改变进而达到宏观定位调控的效果。该材料机械性能好，化学抗性性强，可适应多种环境下的选择和使用。

新材料作为高新技术的基础和先导，它同信息技术、生物技术一起成为二十一世纪最重要和最具潜力的发展领域。与传统材料相比，新材料产业具有技术高度密集，产品的附加值高，生产与市场国际性强等特点。美国、德国、日本等主要发达国家都十分重视新材料产业投入和发展，在20 世纪90 年代初就开始将发展新材料产业作为国家发展的重点。我国新材料产业也在1999年开始颁布实施指南，重点扶持新材料产业。

近年来发展新材料产业同时也关系到国家可持续发展的重要因素，因此我国也日益重视新材料技术应用及其产业化。《新材料产业“十二五”发展规划》指出新材料是材料工业发展的先导，是重要的战略新兴产业，并强调加快培育和发展新材料产业，对于引领材料工业升级换代，支撑战略新兴产业发展，保障国家重大工程建设，促进传统产业转型升级，构建国际竞争新秩序具有重要的战略意义。因此新材料产业是新能源、节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源汽车等新兴产业的重要发展基础。

本课题组所设计的新材料是一种新型节能环保材料，该材料完全由光来准确定位和有效控制。通过分子马达思维理念和思路设计，可以使光能直接转化为机械能，对环境无污染，光能利用率高。同时该材料不需要电池，齿轮等附加驱动能源的介入，使得用于该材料的设备、器材可以小型化或做成无需电动机和轴承介入的微型机械，同时也可用于内视镜等小型医疗器械的控制部件方面，同样具有非常广阔的应用前景。

新材料的思路设计

偶氮苯分子在紫外/可见光照下可以发生顺反异构的特性（图1），使得它在光学仪器和电子器件上有越来越多的相关应用。另一方面由于顺反异构的产生可以带动分子周围空间位置变化，现在也越来越受到人们的重视和研究。但现在该类研究大多为液晶材料，即想要达到光照形变需要现将材料加热到玻璃转化温度以上才能获得明显形变效果，这就使得这类材料普及应用受到了很大限制并且增加了能源消耗。本课题组开展的研究是以该材料光照形变特性为思路出发点，从非液晶材料角度出发，将偶氮苯基团镶嵌到高分子聚合物当中。当紫外/可见光照时大量偶氮苯单元同时发生结构改变，达到分子马达驱动的效果。考虑到材料在实际应用的长期性和环境的复杂性，本研究将高玻璃转化温度，机械性能好，化学抗性性强，抗辐射性佳的聚酰胺酸引入到该材料中，为该类材料应用打下前期基础。

材料自身性质的检测

首先通过高分子聚合反应得到目标产物（图2），通过红外表征（图3）、核磁（表1）及紫外（图4）检测证明该材料的结构形式及链段种类。通过由高效液相谱图及相关软件数据分析我们得到聚酰胺酸的重均分子量Mw为58698，数均分子量Mn 为40625，分子量分散度为（重均分子量Mw/数均分子量Mn）PDI 为1.44. 由重均分子量和数均分子量以及分散度与聚酰胺酸数据对比可以看出，所合成的聚酰胺酸链的聚合度较高。通过万能拉伸测试仪所显示的结果表明该材料拉伸强度及韧性等方面性能优良。该材料Tg在失重5%对应温度为298℃，失重10%对应温度为610℃。通过以上测试证明该材料在较苛刻的环境下可以长期使用（表2）。

图1　偶氮苯光控顺反异构

图2　高分子PAA结构链段

图3　高分子红外结构表征

表1　高分子核磁结构表征

表2　拉伸强度及断裂伸长率测试数值

材料性能测试

将含有偶氮苯聚酰胺酸膜材料裁成 2 cm × 6 cm 长条，用365 nm汞灯进行照射。通过实验来验证分子级的偶氮苯结构改变是否能驱动宏观材料的结构变化。为了保证实验的严谨性和客观性，将不含偶氮苯的聚酰胺酸膜做成同样大小的膜条，并列进行比较。如图5所示，随着照射时间延长，含偶氮苯“分子马达”的膜材料沿着取向方向发生了较大角度的弯曲。而不含偶氮苯的聚酰胺酸薄膜从始至终并未发生弯曲现象。这种明显角度变化说明了膜的弯曲是由镶嵌在分子链内偶氮苯基团异构发生变化引起的，并由微观分子级的受力空间变化积累到了宏观材料的明显改变；并且通过外部条件（光照时间/强度等）改变做到准确定位和有效控制的智能化操作。同时非液晶偶氮苯聚合物与以往所报道的液晶类偶氮苯材料其优点在于室温下就可以发生驱动弯曲。这种常温下即可有效形变定位的性能，不仅节省额外加热能源；而且，降低了日常维护使用条件，也使材料产业化成为了可能。

图4　偶氮苯特征吸收峰变化曲线

图5　材料性能对比检测

结语

本论文所测试的膜材料是由光能直接转化为机械能的一种新材料，对环境友好无污染。并且核心动力源是由于分子级的微观变化产生的宏观改变，所以在实际使用中可视器件大小做成不同尺寸规模的驱动材料。该材料机械性能好，化学抗性性强，可适应多种环境下的选择和使用。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.030