具有手性螺烯类分子马达动态交联点的响应性液晶弹性体复合材料

Chiral overcrowded alkenes can present the repeatedly geometrical rotation in isomerization reaction. Currently, it is a challenge to amplify the chemical dynamic property of molecular machine from molecular level to macroscopic function, whereas integrating into liquid crystalline elastomers with anisotropic mechanical property is an effective approach to solve it. This project aims to study the effect of the chemical dynamics and the optical chirality of chiral overcrowded alkenes on the mechanical deformation of liquid crystalline elastomers crosslinked with the polymeriszable molecular motors. After modulating the chiral overcrowded alkenes/ liquid crystalline photopolymerizable monomers/light initiator mixture, the novel light-driven liquid crystalline elastomers will be prepared by free radical polymerization under specific alignment conditions. This project will develop the isomerization, the chemical dynamics and the optical chirality of molecular motors from micro to macroscopic scale. The motion of molecular machine will be transformed from the random brownian movement to the ordered anisotropic mechanical deformation, providing experimental foundation and theoretical guidance for novel photo-actuators with complex deformation and fast response.

手性螺烯类分子马达可进行重复性的几何转动异构化反应，将其分子级别的化学动力学性能放大至宏观的功能性行为是目前分子机器领域的研究难点之一，而结合具有各向异性力学性能的液晶弹性体是一种解决此难点的有效方法。本项目拟设计和合成可交联的手性螺烯类分子马达，研究分子马达的化学动力学性能和光学手性特性对液晶弹性体复合材料的力学形变性能的影响。通过调制手性螺烯类分子马达/液晶性可聚合单体/光引发剂复合体系，在特定的取向工艺条件下，经过自由基聚合制备得到新型光响应液晶弹性体复合材料。本项目将分子马达的光致异构化行为、化学动力学性能和光学手性特性从微观放大至宏观尺度，将分子机器从无序的分子布朗运动转变为有序的各向异性机械形变，为开发具有复杂形变行为和快速响应特性的新型光致动器提供理论和实验指导。

本项目设计并制备了2大类3种可交联手性螺烯类分子马达，设计和制备了螺烯化合物/液晶性可聚合单体/光引发剂的响应型液晶弹性体复合体系。制备了多种可光响应形变的螺烯类液晶弹性体：（1）制备了具有刚性链的多官能度螺烯类分子马达，并使其转子和定子都交联于液晶弹性体中，利用其光热效应，实现了液晶弹性体薄膜在紫外光照下的大幅弯曲；（2）制备了具有刚性链的单官能度的螺烯化合物，并使其交联于液晶弹性体中，利用其光致异构化行为，实现了液晶弹性体薄膜光致变色的功能；（3）制备了具有柔性链的多官能度螺烯化合物，并使其转子和定子都交联于液晶弹性体中，利用分子马达的光致异构来调控薄膜的力学性能，实现了薄膜在紫外光照下产生自振动的行为。详细研究了3种螺烯类分子马达的化学动力学性能以及热回复速率与分子结构的关系，研究了螺烯化合物液晶弹性体的化学动力学性质、光热效应以及形变影响因素和机理。最后，实现了响应型液晶弹性体的光驱动机械形变性能，并可以应用于一系列如抓取、移动、释放等机械力学任务的微型传动执行器，展示了这种新型的光响应材料在光驱动器件、软机器人等领域的巨大潜力。