偶氮聚合物的光致变形、扩散与表面结构形成

将偶氮苯基团以主链或侧链的方式共价结合到其它聚合物链上形成的偶氮聚合物是一类性能优异的光敏材料。偏振光照射下，偶氮基团发生从杆状反式态到顺式弯曲态的可逆转变，驱动聚合物变形和定向扩散，进而在表面形成特定的可恢复纳米结构。这一现象在微纳制造、可擦写信息存储以及微驱动方面都有诱人的应用前景。然而，目前对偶氮聚合物光致变形和扩散的力学机制尚没有一个清晰的认识，甚至连一些典型的实验现象还难以得到解释。本项目从偶氮基团分子尺度的光异构动力学出发，研究偶氮聚合物光致变形、扩散和表面结构形成的若干基本问题。主要内容包括：偶氮基团反-顺式转变导致的聚合物构象熵变化；熵变引起的聚合物变形；变形驱动的分子扩散；变形-扩散耦合的聚合物表面形貌演化和结构形成。本项目的目的是建立基于微观物理机制的偶氮聚合物光致变形、扩散和表面结构演化的力学理论模型和分析方法，为偶氮聚合物在可控表面形貌形成方面的应用奠定理论基础。

偶氮苯聚合物在偏振光、紫外光甚至可见光照射下都会产生变形和流动。这一特性使得偶氮聚合物在微加工、微制造、机敏结构与控制等许多领域极具吸引力。然而，目前对偶氮聚合物的光致（特别是偏振光照射下）变形和流动的基本机理尚不清楚，存在许多争论；一些重要的实验现象也不能基于已有的模型加以解释。这一现状无疑限制了偶氮聚合物的应用。为此，本项目从介观层次探索偶氮聚合物的光致变形和流动机理，并在此基础上研究其变形和结构形成中的若干基本力学问题。主要研究结果包括：1）根据偶氮分子光致异构动力学研究了偏振光下无定形偶氮聚合物的分子构象，提出了构象熵驱动的聚合物变形和流动模型，解释了现有模型不能解释的表面结构形成现象；2）从三维线弹性理论出发严格建立了玻璃态展曲型和扭曲型两类丝状偶氮聚合物膜的光致变形模型，其控制方程是二维的，但可以直接导致位移和应力的三维精确解；3）基于几何非线性理论给出了玻璃态展曲型和扭曲型丝状偶氮聚合物自由膜的光致曲率解，发现前者与线性理论结果相同，而后者当尺寸与厚度比达到特定值时分叉为三支，相应的形状在高斯曲率不变的条件下发生从马鞍面到非马鞍面的转变；4）从理论上阐明了利用无定形丝状偶氮聚合膜和软弹性衬底约束实现光触发表面皱曲的可行性，为远程可控机敏功能表面的设计提供了新的线索。. 上述结果已被Europhys. Lett., Euro. J. Phys, E, Smart Mat. Struct.和Acta Mech. Sin.等期刊接受发表。