Angew. Chem. :利用光化学环加成反应驱动类人形的机械运动

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光驱动软体微机器人作为机器人领域的一项新兴技术,因其高灵活性、高适应性和远程控制等优势,近年来已经在材料科学研究中受到广泛关注。为了进一步推动该领域的发展,分子晶体目前已经成为一类很有前途的光敏材料。此外,研究人员也成功将分子晶体与聚乙烯醇(PVA)和聚偏氟乙烯(PVDF)等高分子聚合物进行结合来制备复合薄膜,其中多个晶体发生的化学变化所累积的应变会导致有趣的机械运动。虽然这些光响应复合薄膜的进展是令人鼓舞的,但相关的研究仍处于初步阶段,宏观运动的不连续性使现有材料并不适合实际应用。


近日,苏州大学郎建平教授团队以二烯烃化合物为研究对象,通过配位自组装策略,设计并构筑了一例具有类人形机械运动的一维光敏烯烃配位聚合物。

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该配位聚合物结构中一维链内每对相邻的C=C键均为交叉排列但距离符合施密特提出的光化学环加成反应条件。经核磁共振氢谱和单晶X射线衍射证实,可见光和紫外光均可促进[2 + 2]环加成反应的发生,最终分别生成了单环丁烷和双环丁烷产物,从而引发各种类型的光致晶体机械运动。

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在可见光照射下,晶体先背光弯曲成“U”形,后向光弯曲恢复到原状。当左右方向交替照射时,晶体可反复运动540°。然而,在紫外光照下,晶体并不会反复弯曲,会继续向上卷曲三圈,类似于蕨类植物的生长。当左右方向交替照射时,此时晶体可反复运动180°。此外,也发现在可见光照射后的晶体会沿c轴变长,这可能归因于光诱导结构转化过程中,两条相邻一维链之间的距离沿c轴的增加。


此外,将该配位聚合物晶态粉末和晶体分别分散到PVA溶液中制备了两种复合膜,CP1-PVA (P)和CP1-PVA (SC)。特别是,CP1-PVA (SC)薄膜条在光照射下表现出更加快速、复杂的卷曲运动。当把这些快响应的复合薄膜条进一步折叠成不同的类机器人模型后,其展示出快速、灵活和连续的机械现象,类似于人类进行各种体操运动。这项工作证明了基于配位聚合物晶体的复合薄膜在响应时间、动作复杂性和连续性等方面优于先前报道的分子晶体材料,为光驱动柔性微型机器人的设计与发展提供了重要指导。

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文信息

The Use of Photocycloaddition Reactions to Drive Mechanical Motions Resembling Humanoid Movements

Yong Wang, Qiaoqiao Zhang, Qi Liu, Brendan F. Abrahams, and Jian-Ping Lang


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202409472


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