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目前会抽疯的材料自振荡聚合物

发布时间:2021-07-14 00:35:14 阅读: 来源:离子交换树脂厂家

会“抽疯”的材料:自振荡聚合物

所谓的自振荡聚合物(self-oscillating polymer,以下简称为SOP),是指通过化学自振荡化学反应而驱动的高分子材料。这个概念首先是日本科学家Ryo Yoshida于1995年提出。它是一种特殊的刺激响应聚合物,传统的刺激响应聚合物,只能实现性质或状态的单向变化,而SOP却可以实现自主、可逆、周期性的变化。

目前的自振荡聚合物的刺激源一般采用具有自振荡特点的化学反应,如Belousov-Zhabotinskii反应、Bray Liebhafsky反应、Briggs Rauscher反应、pH振荡反应等等。自振荡聚合物的基本设计14、地脚螺栓思想是:聚合物含有对振荡反应有响应的官能团,振荡反应的反应物或者生成物的振荡变化驱动了聚合物性质的振荡变化。

▲ BZ振荡反应,在振荡响应过程中颜色呈现振荡变化

以BZ反应驱动的SOP的研究是最为广泛和深入的。目前,有关SOP的研究主要以国外科研单位为主,主要包括东京大学、BrandeisUniversity、University of Massachusetts、University of Pittsburgh等。那么,科学家们都利用自振荡聚合物做出了怎样的研究呢?

下面简单进行举例介绍。

自振荡聚合物的基本结构

以Yoshida发展的含有温敏结构的自振荡聚合物为例详细分析。聚合物是共聚物的形式,含有温敏单元NIPAAm,并含有对BZ反应有响应的重复单元含钌单体,对BZ反应的进行,该聚合物的溶解性会周期性变化,可以得到振荡响应的囊泡、凝胶、聚合物刷等材料体系。

▲ 典型自振荡聚合物的结构,各体系因需要的不同存在结构微调

自振荡高分子囊泡

刺激响应囊泡是重要的新型纳米粒子根据实际情况也可采取国产30—50号机油材料,在人体细胞内部也存在许多囊泡状结构,由于其特殊的功能得到了科学家们的广泛兴趣。Yoshida利用对BZ反应中的离子有响应的嵌段聚合物(结构如图一)得到的囊重量减量值比较大泡,将温度控制在T0和Tr之间(T0为聚合物处于氧化态时的临界聚集温度,Tr处于还原态时的临界聚集温度),可以观察到囊泡自动形成和破碎过程。

▲ 由于囊泡周期性的形成和解离,溶液体系呈现周期性变浑浊与变澄清

人工细胞

细胞是生物体最近本的结构和功能单位,其重要性不言而喻,Yoshida报道过模拟细胞的新型SOP。机理与上述的囊泡类似,不同之处是体系存在交联结构,囊泡不会周期性的解散,而是会周期性地发生体积变化,并会发生“自跳动”现象。

▲ 周期跳动的类细胞结构

自主肠状蠕动

肠的蠕动对于物质的消化、吸收有着重要的作用。为了模拟这样的变化,Yoshida设计了自振荡凝胶,将这种凝胶设计成管状结构,实现了类似肠蠕动的仿生功能“木质素是1种非常脆弱的天然高份子。这种管状凝胶材料浸入发生BZ反应的溶液中,不仅可以类似于块状凝胶的体积收缩-膨胀变化,而且可以观察到气泡在自振荡凝胶中的自动运输。

▲ 凝胶材料随时间变化运动

趋光避光运动

在自然界中,许多生物具有趋光、避光行为,如飞蛾扑火、向日葵跟着太阳转,研究者们基于使用过于频繁SOP也模拟了类似的趋光和避光运动。所利用的原理为,BZ反应在光强较高的环境下有着较高程度的抑制,反之则抑制程度低。使用SOP凝胶在不同光强下,观察凝胶的位置变化。发现用波长460nm且光强较大的光源照射时,暗场处的凝胶的自振荡频率高于明场处凝胶的自振荡频率,实验标准并且凝胶倾向于向暗场方向一定,表现出避光性。

总体来讲,SOP材料目前研究依旧处于模型建立以及简单应用的初步探索阶段,而将其用于仿生将是这一领域的趋势和目标。可以预见,通过多学科、多领域的合作,SOP材料会找到真正的应用战场,发展成实用的智能高分子材料!

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