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  近紅外光響應(yīng)形狀記憶聚合物因其遠(yuǎn)程控制等優(yōu)勢在光驅(qū)動器、光控微流體器件及生物醫(yī)學(xué)裝置等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。目前制備近紅外光響應(yīng)形狀記憶聚合物的常用方法是將貴金屬納米顆粒等光熱轉(zhuǎn)化材料引入熱響應(yīng)形狀記憶聚合物，但為了提高光熱材料在聚合物中的相容性一般需要采用表面改性、原位接枝等手段。同時傳統(tǒng)的貴金屬納米顆粒或石墨烯等材料均涉及復(fù)雜的合成過程，這些因素的存在會大大提高材料制備的難度和成本。因此如何通過一種簡單易行的手段制備近紅外響應(yīng)形狀記憶材料仍是目前該研究的一個難點。

  在生活中，我們會發(fā)現(xiàn)蘋果或梨用鐵刀切了以后，表面會變黑。這是由于蘋果或梨等水果的細(xì)胞里含有單寧酸，單寧酸與鐵離子化合會生成黑色的單寧酸鐵納米顆粒，而該納米顆粒則具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化性能。受此啟發(fā)，西安交通大學(xué)化工學(xué)院陳鑫教授/白永康副教授課題組采用原位生成的方法將單寧酸鐵納米顆粒（FeTA）引入固態(tài)的熱響應(yīng)形狀聚合物中。他們首先采用商業(yè)化的乙烯-乙烯醇共聚物作為聚合物基底，通過二異氰酸酯交聯(lián)得到熱響應(yīng)形狀記憶聚合物，并在此過程中引入鐵離子。然后，只要簡單的將所制備的固態(tài)薄膜浸入單寧酸溶液中，即可制備具有高光熱響應(yīng)性能的形狀記憶復(fù)合材料。

圖 1 （a）和（b）復(fù)合材料的光熱轉(zhuǎn)化性能；（c）和（d）復(fù)合材料近紅外光響應(yīng)形狀記憶行為

  通過對復(fù)合材料微觀形貌、機械性能、光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)等性能的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eTA納米顆粒能夠均勻地分散在聚合物基底中，使得材料不僅能夠體現(xiàn)出優(yōu)異的機械強度，同時能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的光響應(yīng)形狀記憶性能。如圖1所示，材料的光熱轉(zhuǎn)化性能會隨浸泡時間及鐵離子含量的變化而變化。而對于無論是彎折或拉伸試驗，復(fù)合材料都能夠在近紅外光的刺激下快速回復(fù)至其原始形狀。

圖2 （a）復(fù)合材料的熱致三段形狀記憶性能；（b）復(fù)合材料的光致三段形狀記憶性能；（c）分段復(fù)合材料的光致三段形狀記憶性能。

  在光響應(yīng)性的基礎(chǔ)上，形狀記憶聚合物的多段響應(yīng)性能夠增加材料形狀變化的設(shè)計性及復(fù)雜性，從而進(jìn)一步拓展材料的應(yīng)用前景。在該研究中所采用的乙烯-乙烯醇共聚物，兼具有聚乙烯醇及聚乙烯的轉(zhuǎn)變溫度，因此具備了實現(xiàn)三段形狀記憶性能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。如圖2所示，通過動態(tài)熱機械分析儀的熱力學(xué)循環(huán)表征，復(fù)合材料的確能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的熱致三段形狀記憶性能。而通過調(diào)控近紅外光源的功率密度，研究發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料還能夠?qū)崿F(xiàn)光致三段形狀記憶行為。此外，課題還進(jìn)一步研究了該復(fù)合材料在光致驅(qū)動器中應(yīng)用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該材料能夠拉動自身重量1600倍的負(fù)重，使得該材料在光驅(qū)動器件中有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖3 （a）和（b）復(fù)合材料的光致驅(qū)動負(fù)載行為；（c）復(fù)合材料的回復(fù)力

  該研究工作以“Novel Near-Infrared Light-Induced Triple-Shape Memory Composite Based on Poly(ethylene-co-vinyl alcohol) and Iron Tannate”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。該研究工作主要由西安交通大學(xué)化工學(xué)院白永康副教授完成，陳鑫教授為通訊作者，西安交通大學(xué)化工學(xué)院為唯一通訊單位。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金等項目的大力支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c05166

  下載：Novel Near-Infrared Light-Induced Triple-Shape Memory Composite Based on Poly(ethylene-co-vinyl alcohol) and Iron Tannate