新型光/电驱动的一维有机机械响应材料的研究

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有机微纳米尺度的材料能够在光/电驱动下发生宏观持续运动或形变,一直是材料领域研究的热点。光/电驱动下能够发生持续形变或运动的微纳米材料,在制动器,微流体,人造肌肉以及微纳米尺度人造马达等多方面具有潜在的应用价值。现存的光/电驱动机械响应材料,基本上是通过一些本身能够发生光/电驱动单分子构型改变或分子间化学反应的构筑单元来形成的。本文合成了不同侧链取代的苝酰亚胺类小分子,利用分子之间的π-π相互作用力和其它弱相互作用力(范德华作用力),自组装形成一系列微米带。研究发现这类材料在光/电激发下,能够发生三种的光驱动机械响应模式分别是微米带延展变形,微米带持续平移和微米带捻动传递式旋转。  1)利用不对称苝酰亚胺衍生物作为构筑单元,构建了多层的微米带。在扫描激光的驱动下,微米带发生光致延展形变现象,其宽度最终可达到初始宽度的10倍以上。进一步通过改造构筑单元的侧链,实现了延微米带轴向的光致延展形变。核磁以及质谱证据表明形变前后分子未发生化学变化。基于这些实验结果,我们提出激发态分子间偶极矩之间相互作用产生分子间变形,在扫描激发模式下,这种动态的分子间变形能够以协同模式传递,最终使材料发生宏观变形。更有意思的是,通过电驱动,材料层间会发生逆向滑移,材料可恢复至初始宽度并可以实现多次延展-收缩循环。  2)在扫描激光照射下,通过降低微米带底层与基底的相互作用,实现了微米带在基底上的持续平动。结合理论计算的结果,建立“动态激子模型”解释微米带的有向运动行为。根据不同扫描速度与微米带运动速度的关系,发现动态的分子间变形能够以协同模式传递,最终表现为宏观的微米带平动。通过构筑单元侧链的改造,构成不同晶体排列的微米带,光驱动下表现为不同方向的持续平动。  3)通过悬空微米带,实现了微米带的光驱动持续转动。π变形方向与微米带长轴方向的夹角,厚度方向上的分子间非键变形梯度和激光的扫描激发模式是微米带发生持续转动的三个重要因素。类似上面形变观察,在电子驱动下,微米带同样产生持续旋转,但旋转方向与光驱动旋转方向相反。  不同于现存的构筑分子本身发生构型改变抑或分子发生化学反应驱动材料宏观形变的机理,本文发现一种基于激发态的分子间偶极矩或四极矩相互作用产生分子间形变作为驱动力,实现材料发生持续运动或形变。本论文为开发新型的光、电致机械响应的有机材料提供了一种新的方法和机制。
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