新型智能聚二炔组装纤维的基础应用研究

环境响应的共轭高分子材料近20年来一直是材料领域的研究热点，其中聚二炔敏感材料因在自愈合材料、分子分离、快速检测、敏感器件等众多领域广泛的应用前景而日益受到人们重视。尤其值得关注的是电致变色的聚二炔敏感材料，但迄今为止在电刺激下实现聚二炔材料可逆颜色变化的报道还不多。本项目拟通过分子组装，在聚二炔中引入碳纳米管制备对电刺激可逆响应的新型聚二炔敏感复合纤维，首次系统研究聚二炔侧链长度和组成与敏感变色可逆性和速度的定量关系，首次提出并发展可以量化的可逆响应和快速响应概念来比较聚二炔敏感性能，为聚二炔应用提供切实可行的理论依据；在此基础上进一步把电致变色聚二炔复合纤维集成到航空航天等结构材料中，研究新型聚二炔敏感组装体对上述结构材料完整性的实时在线监测，探讨聚二炔材料的结构稳定性和重复性等关键应用问题，总结出聚二炔作为敏感材料在应用中的一些基本规律。

本项目通过分子组装，在聚二炔中引入取向碳纳米管制备了一系列复合纤维，这些新型复合纤维显示优异的力学和电学性能，如强度超过1 GPa、电导率达到1000 S/cm；复合纤维在通电后快速可逆变色，系统研究了聚二炔侧链长度和组成对敏感变色可逆性和速度的定量影响，提出并发展了可以量化的可逆响应和快速响应概念来比较聚二炔敏感性能。为了进一步提高复合纤维的热稳定性，本项目还制备了侧链含有苯环和硅的聚炔/碳纳米管复合纤维，可以在更高的电流下快速可逆变色，并且颜色是渐变过程，与电流大小存在半定量关系，在此基础上提出了“电流试纸”的概念。基于类似研究思路，以敏感变形的液晶高高分子和共轭高分子取代聚二炔，发展出新型光致和溶剂诱导变色的碳纳米管/高分子复合纤维，并初步揭示了新型敏感变形的机制和规律。总之，通过取向碳纳米管与高分子共轭主链或侧链的相互作用，本项目发展了一大类新型敏感复合材料，这个思路可拓展到其他高分子体系，可能代表制备高性能复合材料一个普适性方法。在阐述机理和提高材料性能的基础上，进一步把电致变色复合纤维集成到航空航天等结构材料和电子开关等微型器件中，研究新型敏感材料在实时监测和远程遥控等领域中的应用，总结出一些普适性的规律，如在共轭主链中引入苯环和硅等热稳定性单元，可以大大提高敏感材料在应用中的稳定性和重现性。.在项目执行期间共发表学术论文55篇，包括10篇Angew Chem Int Ed、15篇Adv Mater、1篇J Am Chem Soc、1篇Acc Chem Res和1篇Chem Soc Rev。研究论文4次被Nature子刊以“研究亮点”报道，2次被Angew Chem Int Ed评为“VIP Paper”和“Hot Paper”。2011年应邀撰写了一个英文专著章节，2013年应邀这些了另一个英文专著章节，计划于2014年发表。获得9个授权中国发明专利、申请了15个中国发明专利。项目负责人在2013年获得中国青年科技奖、美国杜邦青年教授奖、中美化学与化学生物学教授协会杰出教授奖、入选国家“万人计划”，在2012年获得国家杰出青年基金资助。在人才培养方面，1名博士后出站、3名博士毕业、5名硕士毕业，目前在研博士后3人，博士生8人，硕士生7人，其中博士生仰志斌获得世界材料研究学会优秀博士生奖。