基于梯度浸润/去浸润性的单层结构光子晶体驱动材料的制备及性能研究

Intelligent actuator materials have attracted wide research attention owing to its potential applications as microrobotic, artificial muscles, and etc. Present actuator is generally fabricated from passive-active bilayer structure, having a limitation from its stress production from the layer interface. This project put forward a novel approach for the dissove the above-mentioned approach: a simple single-layer/materials actuator, which yields the actuator behavior based on gradient wetting/dewetting property. We have investigated the feasibility of the method by fabricating the polyionic liquid photonic crystals (PCs) single-material actuator in our previous work, that demonstrates good actuator behavior upon solvent evaporation or wetting. In this project, we designed and fabricated the single-layer PC actuator by modulating the gradient wetting/dewetting by controlling its chemical composition and microstructure. The influence of the kinds of ionic liquid, microstructure on the actuator behavior such as actuator force, bending angle, response time and recyclability will be investigated; the relationship between the actuator behavior and the static wettability, dynamic wettability, and wetting/evaporation rate of the solvent is understood. This investigation will provide an important experiment and theoretical basis for the fabrication of high-performance single-material actuator.

新型智能驱动材料因在微型机器人、人工肌肉等方面的应用引起广泛关注。本项目针对传统双层结构驱动材料在使用过程中的两层粘结不牢，容易分离等问题，拟提出单层结构的光子晶体驱动材料：通过材料的梯度浸润/去浸润过程诱导其非均质溶胀和收缩从而产生驱动，对新型高智能驱动材料的发展提出新思路。申请人在前期研究中，已制备了良好驱动行为的聚离子液体光子晶体的单层驱动材料，证实了该思路的可行性。本项目拟通过化学组成及微观结构设计制备梯度浸润的光子晶体单层驱动材料，研究离子液体种类、微观结构变化等对驱动行为如驱动力、弯曲角度、响应时间、驱动速率以及周期循环性等的影响规律；深入理解这些不同的驱动行为与其静态浸润性、动态浸润性以及溶剂浸润/蒸发速率的影响，研究材料的梯度浸润性差对其驱动行为的内在关联规律；最终实现可控的、具有快速响应性的单层结构溶剂型驱动材料的制备，为发展新型高性能的驱动材料提供实验和理论基础。

已经圆满完成了项目的各项指标和要求。新型智能驱动材料因在微型机器人、人工肌肉等方面的应用引起广泛关注。本项目针对传统双层结构驱动材料在使用过程中的两层粘结不牢，容易分离等问题，发展了单层结构的光子晶体Janus驱动材料,并研究了所制备驱动材料的性能和应用。主要研究包括（1）一面亲水一面疏水的聚离子液体Janus 湿度驱动器（ACS Nano 2018），(2)一面液晶弹性体，另一面液晶弹性体填充的光子晶体结构组成的Janus 溶剂驱动器（Soft Matt 2018），(3)一面为偶氮液晶聚合物另一面为偶氮液晶反蛋白石结构的光驱动器；在此基础上，我们发展了功能性光子晶体膜的制备及相关应用，（1）通过利用硝酸铅与羧基的螯合作用实现电浸润情况下光子晶体形貌的不可逆变化，发展水刻制备图案的方法(Adv. Funct. Mater., 2017)；（2）制备了PDEOT 光子晶体，并发展了通过水写电氧化还原擦除图案以实现对图案的可逆擦写(Adv. Funct. Mater., 2019)。（3）电纺制备了聚乙烯醇与聚苯乙烯乳胶粒复合电纺纤维，水写制备光子晶体图案(Chinese J. Polym. Sci. 2019)；（4）制备了闭孔结构的碳点光子晶体，并研究了其特殊的亲液不浸润行为及荧光增强和图案化碳点光子晶体在防伪图案领域的应用,(5)发展了新型的蓝相液晶光子晶体，实现了在蓝相光子晶体膜上实现图案的可逆擦写。这些工作为发展新型的光学驱动材料提供实验和理论指导。相关研究结果以第一或通讯作者发表包括 Adv.Funct. Mater.(2), ACS Nano(1), Mater. Horizon (1), ACS Appl Inter Mater (3),Nano scale (1), J. Mater.Chem. C (4), Soft Matt (1),23篇，著书32个章节，申请及授权中国发明专利12个，参加国际会议邀请报告6个，参加国际国内会议多次。