光驅動分子馬達材料的設計與應用

光驅動分子馬達材料的設計與應用

新材料行業所產生的高技術含量、高附加值的經濟效益和社會效益越來越受到各個國家關注和重視。對于我國節能環保、高端裝備制造、新能源等新興產業戰略實施同樣需要新材料產業提供支撐和保障；另一方面，我國原材料工業規模巨大，環境約束日益強化，也迫切需要通過發展新材料產業，助推材料工業升級轉型，培育新的增長點。本文以節能環保為研究理念，通過分子馬達的思路設計，獲得一種光控新材料。該材料通過試驗檢測得到在常溫下即可通過光照來驅動分子結構改變進而達到宏觀定位調控的效果。該材料機械性能好，化學抗性性強，可適應多種環境下的選擇和使用。

新材料作為高新技術的基礎和先導，它同信息技術、生物技術一起成為二十一世紀最重要和最具潛力的發展領域。與傳統材料相比，新材料產業具有技術高度密集，產品的附加值高，生產與市場國際性強等特點。美國、德國、日本等主要發達國家都十分重視新材料產業投入和發展，在20 世紀90 年代初就開始將發展新材料產業作為國家發展的重點。我國新材料產業也在1999年開始頒布實施指南，重點扶持新材料產業。

近年來發展新材料產業同時也關系到國家可持續發展的重要因素，因此我國也日益重視新材料技術應用及其產業化。《新材料產業“十二五”發展規劃》指出新材料是材料工業發展的先導，是重要的戰略新興產業，并強調加快培育和發展新材料產業，對于引領材料工業升級換代，支撐戰略新興產業發展，保障國家重大工程建設，促進傳統產業轉型升級，構建國際競爭新秩序具有重要的戰略意義。因此新材料產業是新能源、節能環保、新一代信息技術、生物、高端裝備制造、新能源汽車等新興產業的重要發展基礎。

本課題組所設計的新材料是一種新型節能環保材料，該材料完全由光來準確定位和有效控制。通過分子馬達思維理念和思路設計，可以使光能直接轉化為機械能，對環境無污染，光能利用率高。同時該材料不需要電池，齒輪等附加驅動能源的介入，使得用于該材料的設備、器材可以小型化或做成無需電動機和軸承介入的微型機械，同時也可用于內視鏡等小型醫療器械的控制部件方面，同樣具有非常廣闊的應用前景。

新材料的思路設計

偶氮苯分子在紫外/可見光照下可以發生順反異構的特性（圖1），使得它在光學儀器和電子器件上有越來越多的相關應用。另一方面由于順反異構的產生可以帶動分子周圍空間位置變化，現在也越來越受到人們的重視和研究。但現在該類研究大多為液晶材料，即想要達到光照形變需要現將材料加熱到玻璃轉化溫度以上才能獲得明顯形變效果，這就使得這類材料普及應用受到了很大限制并且增加了能源消耗。本課題組開展的研究是以該材料光照形變特性為思路出發點，從非液晶材料角度出發，將偶氮苯基團鑲嵌到高分子聚合物當中。當紫外/可見光照時大量偶氮苯單元同時發生結構改變，達到分子馬達驅動的效果。考慮到材料在實際應用的長期性和環境的復雜性，本研究將高玻璃轉化溫度，機械性能好，化學抗性性強，抗輻射性佳的聚酰胺酸引入到該材料中，為該類材料應用打下前期基礎。

材料自身性質的檢測

首先通過高分子聚合反應得到目標產物（圖2），通過紅外表征（圖3）、核磁（表1）及紫外（圖4）檢測證明該材料的結構形式及鏈段種類。通過由高效液相譜圖及相關軟件數據分析我們得到聚酰胺酸的重均分子量Mw為58698，數均分子量Mn 為40625，分子量分散度為（重均分子量Mw/數均分子量Mn）PDI 為1.44. 由重均分子量和數均分子量以及分散度與聚酰胺酸數據對比可以看出，所合成的聚酰胺酸鏈的聚合度較高。通過萬能拉伸測試儀所顯示的結果表明該材料拉伸強度及韌性等方面性能優良。該材料Tg在失重5%對應溫度為298℃，失重10%對應溫度為610℃。通過以上測試證明該材料在較苛刻的環境下可以長期使用（表2）。

圖1　偶氮苯光控順反異構

圖2　高分子PAA結構鏈段

圖3　高分子紅外結構表征

表1　高分子核磁結構表征

表2　拉伸強度及斷裂伸長率測試數值

材料性能測試

將含有偶氮苯聚酰胺酸膜材料裁成 2 cm × 6 cm 長條，用365 nm汞燈進行照射。通過實驗來驗證分子級的偶氮苯結構改變是否能驅動宏觀材料的結構變化。為了保證實驗的嚴謹性和客觀性，將不含偶氮苯的聚酰胺酸膜做成同樣大小的膜條，并列進行比較。如圖5所示，隨著照射時間延長，含偶氮苯“分子馬達”的膜材料沿著取向方向發生了較大角度的彎曲。而不含偶氮苯的聚酰胺酸薄膜從始至終并未發生彎曲現象。這種明顯角度變化說明了膜的彎曲是由鑲嵌在分子鏈內偶氮苯基團異構發生變化引起的，并由微觀分子級的受力空間變化積累到了宏觀材料的明顯改變；并且通過外部條件（光照時間/強度等）改變做到準確定位和有效控制的智能化操作。同時非液晶偶氮苯聚合物與以往所報道的液晶類偶氮苯材料其優點在于室溫下就可以發生驅動彎曲。這種常溫下即可有效形變定位的性能，不僅節省額外加熱能源；而且，降低了日常維護使用條件，也使材料產業化成為了可能。

圖4　偶氮苯特征吸收峰變化曲線

圖5　材料性能對比檢測

結語

本論文所測試的膜材料是由光能直接轉化為機械能的一種新材料，對環境友好無污染。并且核心動力源是由于分子級的微觀變化產生的宏觀改變，所以在實際使用中可視器件大小做成不同尺寸規模的驅動材料。該材料機械性能好，化學抗性性強，可適應多種環境下的選擇和使用。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.030