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人體皮膚同時具有柔軟彈性和延展性的獨特特性。最近，開發模仿人體皮膚的軟彈性體在可穿戴電子設備、柔性電子包裝和皮膚傳感器中帶來了新的應用。軟彈性體是一類交聯材料，其楊氏模量（約0.1-1.0 MPa）比傳統彈性體（約1.0-100 MPa）要小得多。這種機械特性可以匹配人體皮膚的楊氏模量（以KPa為數量級），可以與人體皮膚無縫貼合，適用于可穿戴應用。近年研究表明，與溫度、濕度、電場和磁場等其他刺激相比，軟材料機械性能的光控刺激響應具有顯著優勢。因此，將橡膠彈性和光響應特性相結合可以提供新的機會來獲得類似于人類皮膚的柔軟彈性體。

工業上廣泛使用的SBS是一類苯乙烯（PS）一丁二烯（PB）一苯乙烯（PS）三嵌段共聚物，通常具有兩相結構，即聚丁二烯連續相和聚苯乙烯分散相。受熱后材料可以流動，容易加工成型。冷卻到室溫PS鏈段聚集成玻璃態微區，對PB鏈段起到了物理交聯點的作用，從而使材料表現出橡膠的特性，因此稱之為“熱塑性彈性體”。于海峰課題組通過模仿SBS的分子結構與相結構，并結合光響應液晶聚合物的室溫光致相變特性，首次實現了聚合物的光控機械性能互變。設計合成的液晶嵌段共聚物具有類似SBS的三嵌段結構，只是其中的PB嵌段被一種光響應液晶聚合物（PM11AZC4）所取代。該材料在室溫下具有很強的剛性，并且在非熱狀態下顯示出向軟彈性的光控機械性質轉變特性。基于室溫下剛性和彈性之間的光可逆切換，研究者展示了對非平面基板上的納米圖案的精確控制，同時特別適用于封裝的鈣鈦礦太陽能電池的制造，從而實現了通過簡單、方便和可控的方法用于機械適應性光學顯示和電子器件封裝應用，如圖1和視頻1所示。

圖1 具有可編程力學的響應式仿生軟彈性體制備過程及其應用

動態機械分析（DMA）用于表征三嵌段共聚物的光可調機械行為，含偶氮苯的光響應嵌段PM11AZC4和聚苯乙烯（PS）嵌段都顯示出高于室溫的玻璃化轉變溫度，因此聚合物在室溫下表現為硬塑料的特性。在紫外光照射下，PM11AZC4的玻璃化轉變溫度降至0 °C以下，使其可以充當提供彈性的軟段，而光惰性PS部分充當物理交聯點，使三嵌段共聚物的行為類似于熱塑性彈性體SBS，研究者稱其為“光致彈性體”。并且，這種光誘導的機械互變發生在室溫，紫外照射后的三嵌段共聚物的楊氏模量為0.2 MPa，這是一種典型的模擬人體皮膚的軟彈性體。

利用該材料的光控機械性質轉變特性，研究者在復雜幾何形狀表面通過壓力和光照最終實現了微納圖案的制備。根據兩種模板周期和圖案的差別，進而產生了不同的結構色，最終將漢字“北大”的圖案印在人的前臂和手背（圖2C和視頻2）上。圖2D和2E分別顯示了兩步壓印后的聚合物薄膜的掃描電子顯微鏡圖像。顯然，該方法結合了光致軟彈性體和嵌段共聚物微相分離的優點，在智能手機或計算機中的柔性顯示器、可穿戴技術甚至織物的應用案例中非常有前景。

圖2 通過不同波長的光照射三嵌段共聚物薄膜進行精確的可編程壓印工藝

另外，研究者使用液晶嵌段共聚物薄膜將鈣鈦礦太陽能電池封裝在柔性PDMS基板上，顯然，所獲得的器件可用于不同的曲面，例如手臂。這種封裝的鈣鈦礦太陽能通過浸入水中研究其耐水性。未封裝的器件在水中浸泡10 s時開始分解，并在180 s時完全分解；當封裝好的鈣鈦礦太陽能電池器件浸入水中1 h時，沒有觀察到明顯的變色（視頻3）。隨后，通過紫外-可見吸收光譜定量測定了未封裝和封裝器件在水中的穩定性。未封裝器件的吸收強度在30 s時開始明顯下降，并在600 s時降至最小值。即使封裝后的鈣鈦礦太陽能電池浸入水中3600 s，吸收強度也基本保持不變，這表明具有光控機械性質互變的嵌段共聚物可以有效地將電池器件與水隔離，表現出良好的密封效果。

以上研究成果近日發表于Science Advances，論文的第一作者是北京大學材料科學與工程學院19級博士研究生蔡鋒，通訊作者為北京大學材料科學與工程學院于海峰和天津大學封偉教授。該工作得到國家自然科學基金委、科技部和高分子化學與物理教育部重點實驗室的資助與支持。鈣鈦礦器件的制備方面得到了材料科學與工程學院周歡萍老師的大力支持。

此外，在前期的工作中，該課題組利用同一種光響應液晶聚合物（PM11AZC4）制備的兩嵌段液晶共聚物實現了太陽能熱燃料電池的高效、高密度的柔性存儲，可同時存儲太陽能和室溫潛熱，并實現了熱能的可控釋放。該成果發表在Chemistry of Materials上，并被選為內封面。論文的第一作者是北京大學材料科學與工程學院19級博士研究生蔡鋒，通訊作者為北京大學材料科學與工程學院于海峰和天津大學封偉教授。該工作得到國家自然科學基金委、科技部和高分子化學與物理教育部重點實驗室的資助與支持。

圖3 利用液晶嵌段共聚物實現了太陽能熱染料電池的高效、高密度的柔性存儲

1）Cai, Feng; Yang, Bowen; Lv, Xuande; Feng, Wei*; and Yu, Haifeng*. Mechanically mutable polymer enabled by light. Science Advances, 2022, 8 (34), No. eabo1626.

全文鏈接：DOI: 10.1126/sciadv.abo1626

2）Cai, Feng; Song, Tianfu; Yang, bowen; Lv, Xuande; Zhang, Liqun; Yu, Haifeng*. Enhancement of Solar Thermal Fuel by Microphase Separation and Nanoconfinement of Block Copolymer. Chemistry of Materials2021,33（24）,9750-9759

全文鏈接：DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c03644

參考資料：http://www.mse.pku.edu.cn/info/1012/2180.htm