《科学画报》
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让液晶材料随光起舞
2021-10-28 18:29:00光对地球上的大多数生命而言都是非常重要的。光就像一个魔法师，能让一些生物在短时间内发生显而易见的改变：向日葵跟着阳光的方向转动花盘，猫的瞳孔随光线强弱而放大缩小……有一些材料也能像向日葵和猫眼一样，对光刺激做出响应，它们就是光响应高分子材料。
亲密的舞伴
光响应高分子材料在吸收特定波长的光后，能发生某些化学或物理反应，产生一系列结构和性能的变化(如尺寸、形状、颜色、电阻的变化等)，从而表现出特定的功能。其中，材料在光照下发生形状或尺寸改变的现象，被称为“光致形变”。
光响应高分子材料中通常含有光敏基团。我们可以把高分子和光敏基团想象成两个亲密的舞者，它们携手随着光翩翩起舞，由此赋予材料各种奇妙的变化。对光致形变高分子材料来说，最常用的光敏基团是偶氮苯。
对偶氮苯来说，最合拍的舞伴当属液晶高分子。液晶高分子材料兼具密度小、比强度高、耐疲劳等特点。而且液晶分子具有有序排列的特点，分子之间还有良好的协同作用，当少量分子在外部刺激下发生排列变化时，其他分子也会发生相应的取向改变，因此改变整个液晶体系所需的能量很少，这能极大地提高材料响应时的应变、应力和速度。因此，在光响应高分子材料研究中，液晶高分子材料越来越引起人们的重视。
当偶氮苯与液晶高分子共“舞”，材料能够产生双向可控的形变。21世纪初，科学家首次合成了含有偶氮苯的液晶高分子材料。在紫外光照射下，材料发生了收缩形变，形变量达到20%;而在可见光的照射下，材料又能够恢复原有的长度。
此后，光致形变液晶高分子材料的研究工作取得了很大进展。复旦大学俞燕蕾教授课题组经过多年的系统研究，在可控合成新型光响应高分子、多尺度结构调控理论及光控柔性执行器构筑新原理等方面取得了原创性成果。她领衔完成的“光响应高分子材料”项目荣获了2018年度上海市科学技术奖自然科学一等奖。
微小而智能的执行器
液晶高分子光致形变功能的实现完全由光控制，其形变的过程也就是把光能转换为机械能的过程，而机械能作为可以直接利用的能量，在生产和生活中发挥着重要的作用。因此，科学家一直热衷于开发基于光致形变液晶高分子的柔性智能执行器。与常见的机械装置相比，这些执行器不需要辅助的组件进行安装，也不需要复杂的设备进行控制，只需要加工成单一形状，即可在外部光照下完成各种运动，在人工肌肉、微型机器人、微泵、微阀等领域有着广泛的应用前景。
课题组将偶氮二苯乙炔液晶高分子材料与聚乙烯复合，设计出可见光响应的柔性微机器人。这个机器人由“手指”“手腕”和“手臂”等部件构成，整体系统中不包含任何齿轮、轴承和接触性驱动系统。只需要用可见光照射不同部位，即可操纵机器人完成抓取、举高、移动和放下等动作，搬运质量达到自身质量10倍的物体。
微量液体传输是涉及诸多领域的重要问题，如昂贵液体药品的无损转移、微流体器件与生物芯片中的液体驱动等，都与之直接相关。近年来，微流体芯片的自身尺寸不断缩小，功能单元数量日益增多，外部驱动设备和管路相应地越来越复杂和庞大。用光控制微流体有助于简化微流控系统，但是现有的光控技术存在许多缺陷。
课题组观察到，生物的动脉血管管壁因其层状结构的存在，所以异常坚韧。受此启发，他们仿生设计出一种全新结构的线型液晶高分子材料，并设计出一种光控微管执行器。微管受到光照时会发生形变，产生毛细作用力。通过改变光照条件就能够精确控制液体运动的方向和速度，甚至可以使微量液体克服重力爬坡，及产生S形和螺旋形运动轨迹。该微管执行器可以驱动多种类型的液体、复杂的流体，甚至是生物样品。它在生化检测分析、微流反应器、芯片实验室等诸多领域都有很高的应用价值。这项研究被国际同行誉为“超越现有的微流体操控技术，是具有真正开创意义的优秀成果”。
形变只是光响应高分子材料对光刺激的响应方式之一。在科学家的精心编排下，高分子和光敏基团这对舞伴还能表演许多精彩的舞蹈，为人们的生活创造无限可能。
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