光驅(qū)動分子馬達(dá)材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

新材料行業(yè)所產(chǎn)生的高技術(shù)含量、高附加值的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益越來越受到各個(gè)國家關(guān)注和重視。對于我國節(jié)能環(huán)保、高端裝備制造、新能源等新興產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略實(shí)施同樣需要新材料產(chǎn)業(yè)提供支撐和保障；另一方面，我國原材料工業(yè)規(guī)模巨大，環(huán)境約束日益強(qiáng)化，也迫切需要通過發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)，助推材料工業(yè)升級轉(zhuǎn)型，培育新的增長點(diǎn)。本文以節(jié)能環(huán)保為研究理念，通過分子馬達(dá)的思路設(shè)計(jì)，獲得一種光控新材料。該材料通過試驗(yàn)檢測得到在常溫下即可通過光照來驅(qū)動分子結(jié)構(gòu)改變進(jìn)而達(dá)到宏觀定位調(diào)控的效果。該材料機(jī)械性能好，化學(xué)抗性性強(qiáng)，可適應(yīng)多種環(huán)境下的選擇和使用。

新材料作為高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，它同信息技術(shù)、生物技術(shù)一起成為二十一世紀(jì)最重要和最具潛力的發(fā)展領(lǐng)域。與傳統(tǒng)材料相比，新材料產(chǎn)業(yè)具有技術(shù)高度密集，產(chǎn)品的附加值高，生產(chǎn)與市場國際性強(qiáng)等特點(diǎn)。美國、德國、日本等主要發(fā)達(dá)國家都十分重視新材料產(chǎn)業(yè)投入和發(fā)展，在20 世紀(jì)90 年代初就開始將發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)作為國家發(fā)展的重點(diǎn)。我國新材料產(chǎn)業(yè)也在1999年開始頒布實(shí)施指南，重點(diǎn)扶持新材料產(chǎn)業(yè)。

近年來發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)同時(shí)也關(guān)系到國家可持續(xù)發(fā)展的重要因素，因此我國也日益重視新材料技術(shù)應(yīng)用及其產(chǎn)業(yè)化。《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》指出新材料是材料工業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)，是重要的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，并強(qiáng)調(diào)加快培育和發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)，對于引領(lǐng)材料工業(yè)升級換代，支撐戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，保障國家重大工程建設(shè)，促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，構(gòu)建國際競爭新秩序具有重要的戰(zhàn)略意義。因此新材料產(chǎn)業(yè)是新能源、節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造、新能源汽車等新興產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展基礎(chǔ)。

本課題組所設(shè)計(jì)的新材料是一種新型節(jié)能環(huán)保材料，該材料完全由光來準(zhǔn)確定位和有效控制。通過分子馬達(dá)思維理念和思路設(shè)計(jì)，可以使光能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，對環(huán)境無污染，光能利用率高。同時(shí)該材料不需要電池，齒輪等附加驅(qū)動能源的介入，使得用于該材料的設(shè)備、器材可以小型化或做成無需電動機(jī)和軸承介入的微型機(jī)械，同時(shí)也可用于內(nèi)視鏡等小型醫(yī)療器械的控制部件方面，同樣具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

新材料的思路設(shè)計(jì)

偶氮苯分子在紫外/可見光照下可以發(fā)生順反異構(gòu)的特性（圖1），使得它在光學(xué)儀器和電子器件上有越來越多的相關(guān)應(yīng)用。另一方面由于順反異構(gòu)的產(chǎn)生可以帶動分子周圍空間位置變化，現(xiàn)在也越來越受到人們的重視和研究。但現(xiàn)在該類研究大多為液晶材料，即想要達(dá)到光照形變需要現(xiàn)將材料加熱到玻璃轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)點(diǎn)，從非液晶材料角度出發(fā)，將偶氮苯基團(tuán)鑲嵌到高分子聚合物當(dāng)中。當(dāng)紫外/可見光照時(shí)大量偶氮苯單元同時(shí)發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，達(dá)到分子馬達(dá)驅(qū)動的效果?？紤]到材料在實(shí)際應(yīng)用的長期性和環(huán)境的復(fù)雜性，本研究將高玻璃轉(zhuǎn)化溫度，機(jī)械性能好，化學(xué)抗性性強(qiáng)，抗輻射性佳的聚酰胺酸引入到該材料中，為該類材料應(yīng)用打下前期基礎(chǔ)。

材料自身性質(zhì)的檢測

首先通過高分子聚合反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)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(jié)構(gòu)形式及鏈段種類。通過由高效液相譜圖及相關(guān)軟件數(shù)據(jù)分析我們得到聚酰胺酸的重均分子量Mw為58698，數(shù)均分子量Mn 為40625，分子量分散度為（重均分子量Mw/數(shù)均分子量Mn）PDI 為1.44. 由重均分子量和數(shù)均分子量以及分散度與聚酰胺酸數(shù)據(jù)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(jié)果表明該材料拉伸強(qiáng)度及韌性等方面性能優(yōu)良。該材料Tg在失重5%對應(yīng)溫度為298℃，失重10%對應(yīng)溫度為610℃。通過以上測試證明該材料在較苛刻的環(huán)境下可以長期使用（表2）。

圖1　偶氮苯光控順反異構(gòu)

圖2　高分子PAA結(jié)構(gòu)鏈段

圖3　高分子紅外結(jié)構(gòu)表征

表1　高分子核磁結(jié)構(gòu)表征

表2　拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率測試數(shù)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(jìn)行照射。通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證分子級的偶氮苯結(jié)構(gòu)改變是否能驅(qū)動宏觀材料的結(jié)構(gòu)變化。為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)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(jìn)行比較。如圖5所示，隨著照射時(shí)間延長，含偶氮苯“分子馬達(dá)”的膜材料沿著取向方向發(fā)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(fā)生彎曲現(xiàn)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(nèi)偶氮苯基團(tuán)異構(gòu)發(fā)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(shí)間/強(qiáng)度等）改變做到準(zhǔn)確定位和有效控制的智能化操作。同時(shí)非液晶偶氮苯聚合物與以往所報(bào)道的液晶類偶氮苯材料其優(yōu)點(diǎn)在于室溫下就可以發(fā)生驅(qū)動彎曲。這種常溫下即可有效形變定位的性能，不僅節(jié)省額外加熱能源；而且，降低了日常維護(hù)使用條件，也使材料產(chǎn)業(yè)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(jié)語

本論文所測試的膜材料是由光能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種新材料，對環(huán)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(chǎn)生的宏觀改變，所以在實(shí)際使用中可視器件大小做成不同尺寸規(guī)模的驅(qū)動材料。該材料機(jī)械性能好，化學(xué)抗性性強(qiáng)，可適應(yīng)多種環(huán)境下的選擇和使用。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.030