【摘要】

生物的各種變形行為源于它們無限的途徑。相比之下，常見合成變形材料的平衡驅動變形途徑非常有限。對于 形狀記憶聚合物 (SMP) ，它從臨時形狀恢復到永久形狀通常需要外部刺激并遵循單一固定路線。

最近 ， 浙江大學 謝濤教授 團隊 將 共價交聯的 SMP 設計為在網絡中具有充足的脲基嘧啶酮 (UPy) 超分子部分。UPy 單元賦予 SMP 強烈的時間-溫度依賴性，這被探索為一種自主變形路徑的 時空編程機制。特別是，數字控制光熱加熱的使用通過非平衡機制提供了控制的多功能性。此外， 其玻璃化轉變過程中的冷卻/加熱為其時間變形引入了鎖定/解鎖機制 。這些 獨特功能的好處通過多形狀轉換、“隱形”基于顏色的時鐘、時間 -溫度指示器和序列可編程 4D 打印得到證明。 相關論文以題為 Autonomous Off-Equilibrium Morphing Pathways of a Supramolecular Shape-Memory Polymer 發表在《 A dvanced Materials 》上。

【主圖導讀】

圖1 聚合物網絡的化學設計、編程原理和熱機械性能 。 a) 合成中使用的單體的分子結構。b) 網絡中的化學交聯和氫鍵物理交聯。c) 編程原理的機械說明。d) 消除 150 °C 熱歷史后聚合物的 DMA 曲線。e) 在 25 °C 下以不同應變率獲得的應力-應變曲線。

圖2 通過控制變形 /編程溫度來設計自主變形路徑。 a) 應變恢復動力學對變形溫度的依賴性。b)不同變形溫度下獲得的回復率（25°C 下 60 分鐘）。c) 在不同條件（溫度和時間）下變形的樣品達到完全恢復所需的時間。d) 油墨印刷聚合物樣品的自主恢復路徑。e) 由墨水和切割圖案定義的復雜自主變形路徑。

圖3 壓力和顏色的時間演變。 a) 不同溫度下的等應變應力松弛曲線（應變：50%）。b) 雙折射顏色的時間演變及其用于設計“隱形”時鐘。c) 20 °C 下的雙折射圖案演變。d) 25 °C 下的雙折射圖案演變。e) 結構色的自主演化。f）用于監測牛奶熱歷史的時間-溫度指示器。

圖4 自進化序列可編程 4D打印。 a）UV固化聚合物網絡的動態力學分析曲線。b) 對應于不同變形時間和溫度的聚合物網絡 (n = 5) 的應變恢復動力學。c) 3D 打印對象。d) 章魚和手的受控自主變形路徑，局部編程條件為 i：25°C，1 分鐘；ii: 25°C，60 分鐘；iii：60°C，60 分鐘加上 25°C，60 分鐘。

【總結】

除非涉及復雜的多材料或外部刺激方案，否則典型的變形材料表現出有限的變形途徑。相比之下，目前的工作探索了超分子聚合物網絡對時間 -溫度的強烈依賴性，以獲取非平衡幾何狀態，作為設計通用變形途徑的有效方法。 雖然 團隊 專注于 UPy 氫鍵來說明這個概念，但許多其他具有類似解離行為的超分子鍵也可能是潛在的候選者。 總體而言， 該 獨特的方法允許使用單一均質材料實現自主變形，大大簡化了材料和刺激要求，同時擴展了變形的多功能性。在設備層面， 該 材料原理的好處通過“隱形”時鐘、TTI 和序列可編程 4D 打印來說明。然而，這 些設備示例僅代表了未來尚未發現的巨大潛力的一小部分。

參考文獻 ：

doi.org/10.1002/adma.202102473

投稿模板：

《PNAS》西安交通大學盧同慶、哈佛大學鎖志剛院士：用于傷口閉合的水凝膠-網狀復合材料  

《Joule》東華大學武培怡：雙網絡水凝膠熱電池具有非凡的韌性和高功率密度，可實現連續熱量收集

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