光纤光学原理及应用答案（合成聚合物的光驱动装置）

编辑推荐：本文综述了所有人工合成聚合物光驱动装置（光致动器）的构建材料及其驱动机制。作者利用全面的视角以及对未来前景的洞察，描绘了这类功能材料引领未来学术界和工业界在材料领域创新和应用的宏阔蓝图。

人工合成的聚合物构建光驱动装置（光致动器）及相关材料是一个新兴领域，由于其无需复杂的液压、电动或磁力系统即可提供简单的远程操控，而受到广泛关注。此前，对该领域的综述主要强调材料弯曲、扭曲、折叠等机械运动的开发。光响应添加剂参与的合成聚合物材料以及潜在的机制、加工参数和最终性能关注十分有限。然而，这些材料的科学和基础方面对于扩大应用和工业相关性至关重要。

为此，来自伦敦玛丽女王大学的M. R. A. Bhatti等人对目前所有人工合成聚合物光致动器的构建材料及其驱动机制进行了综述。相关论文以题为“Light-Driven Actuation in Synthetic Polymers: A Review from Fundamental Concepts to Applications”发表在Advanced Optical Materials。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202102186

首先，根据光致动材料的化学性质、主体聚合物和掺入方法，通常有两种光驱动机制占主导地位；光异构化和光热效应。其中，基于光异构化机理形成驱动效应的材料的主要依赖添加偶氮苯和螺苯并吡喃相关结构的光响应剂；而基于光热效应机理的光致动材料除去部分主体聚合物具有一定电磁辐射吸收能力，通常还需要额外添加具有独特光学和热性能的光响应添加剂，如聚吡咯纳米颗粒，还原氧化石墨烯，金纳米棒和碳纳米管等，以提高响应速度和灵敏度。

围绕上述光致动机制，作者综述了制备光致动材料的不同主体材料及其与光响应添加剂组合的研究体系，主要包含如下：

1. 基于水凝胶的光致动器

光响应水凝胶因其由光照射引起的剧烈体积变化以及在生物医学设备和软机器人技术中的应用前景而受到极大关注。水凝胶中的光致动方式可以被分为两类：i）光驱动实体在照射时发生异构化，导致凝胶特性的改变，例如亲水性、带电状态或交联密度等； ii) 由集成在水凝胶中的光响应剂引起的光热效应，引起水凝胶的体积转变。相对而言，后一种光致动方式仅需在水凝胶中添加光热剂的组合即可实现和控制，因而占主导地位。

2. 基于形状记忆聚合物(SMP)的光致动器

目前，研究最广泛的 SMP 是热响应型。它们在加热后才能恢复到原来的形状。但是使用直接加热利用SMP 中的功能并不总是可行的，因此，开发光响应SMP具有重要意义。光响应SMP可以通过将光敏添加剂在合成过程中引入聚合物基质中轻松实现，此外，精心设计光响应材料的分布、排列、二色性以及主体聚合物的化学结构和组成可以使整个过程变得简单、经济高效且可重新编程。

3. 基于液晶的光致动器

液晶弹性体 (LCE) 是弱交联的弹性聚合物网络，它们在特定方向的任何变化都将转化为材料机械性能的变化。这种可逆变形以及聚合物网络的多功能机械性能，使 LCE 成为一种有前途的材料，可作为人造肌肉进行有效驱动。由于液晶光致动器的驱动的基本机制是LC之间的相和各向同性相切换，原则上，任何可以激活这种相变的外部源都可以用来触发驱动。因此，这类光致动器可以同时实现实现多线控制，且这类主体材料对光热和光异构化机理都具有极高的相容性。

4. 基于热塑性聚合物的光致动器

热塑性聚合物由于其低密度、低成本和易于制造而被广泛用于我们的日常生活中。使用光响应添加剂为这些常见聚合物添加功能极具吸引力。光响应组分在聚合物基质中的均匀分散对于有效利用这些填料的光机械驱动潜力至关重要。因此，这类主体材料制备光致动器时，需要考虑溶液混合、原位聚合和使用特定的增容剂等方案，以改善光响应剂的分散性。

5. 高模量聚合物光致动器

高度取向的聚合物具有出色的机械性能，甚至优于金属和陶瓷。这种材料的包括碳纤维、芳纶纤维以及聚乙烯纤维等。但近年来，扩链超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)由于重量轻、成本低、机械性能优越甚至透明性，逐渐成为光驱动聚合物致动器的最具潜力的候选者。UHMWPE对大部分电磁光谱中的光不敏感，但是可以通过添加光响应剂来改变。

6. 其他聚合物光致动方法

其他不太常见的聚合物光致驱动的方法还包括触发光化学反应和光致相变(PIPT) 等情况。

基于上述丰富的构筑框架，光激活的光可逆致动器将光能转化为机械运动，聚合物光致动器对于流体学、机器人技术、医疗、纺织等许多领域和应用都具有重要意义。在此，作者列举了一系列被广泛研究或极具潜力的应用，包括：

1. 用于驱动微流体的光致动器；

2. 光-机械变形；

3. 光致动医疗器械；

4. 光致动纺织品；

5. 4D 打印光致动器。

本文对从软到超硬合成聚合物的光驱动材料进行了综述，重点主要放在这一动态且不断增长的研究领域的材料和机制上。文章全面概述了制造具有先进性能的新型功能复合材料和智能设备的最新技术。这篇综述展示了过去几十年在光致驱动方面取得的长足进步。从应用的角度来看，驱动应力、应变和工作能力等属性很重要。

作者认为，该领域的具有最具生命力的发展方向主要集中在以下几方面：

1. 开发和设计新的主体材料并与光吸收剂形成新组合，以开发新颖多样的应用，包括人造肌肉、智能纺织品和生物医学应用等新技术；

2. 光响应添加剂的分散及其在体相内的排列，尤其对于有各向异性驱动响应光调制需求的应用；

3. 可用于实际商用的光驱动高分子材料和光驱动分子马达；

4. 在保留相同功能的同时提高材料的耐温性能；

5. 低应变下的高驱动应力或大驱动范围。

开发基于光驱动聚合物的材料本质上就是利用简单的材料仅仅通过设计就可以创造出功能强大的结构和复杂的行为。因此，将光驱动致动器的应用于工业是一个遥远却宏大的梦想。这要求每一位相关材料学家，以优化执行器性能的各个方面为目标，大胆使用新的设计和概念来产生全新突破。（文：文和）

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