刺激响应性智能材料的集成:油-水-油三相间智能运输的功能协同器件

就像当下智能手机成为人们时尚生活的宠儿一样,智能材料也成为了材料科学研究中的热门话题。智能材料是这样一种新型功能材料:它能在外界环境刺激(如光、热、磁、电、酸碱度、湿度)下作出响应性的反应,发生材料物理性质或者化学性质的转变,如形变、对水的亲合能力变化、药物的可控装载和释放等行为。智能材料的这些特征使其成为了继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料,有望在航空航天、军事、建筑、医疗、微电子等领域得到广泛应用,导致材料科学发展的重大革命。

为了实现多种智能材料的多种功能的集成和协同,北京化工大学石峰教授领导的研究小组提出了“功能协同”的这一新的概念,即将两种或两种以上智能材料或表面集成到一个器件中,使它们依次发生作用,实现一个复杂的功能或者完成一个给定的任务

新型智能材料可以模拟潜艇,实现该器件的下沉-上浮运动

在“功能协同”概念的指导下,石峰课题组将具有温度响应性和双氧水响应性的两种智能材料分别集成到一个器件中,可以模拟潜艇实现该器件的下沉-上浮运动;由于器件在不同温度下对水和油的亲合能力存在较大差异,同时该器件能够在由水层分隔的两种油相之间实现有机小分子的定向运输。具体而言,该器件主体材料是泡沫状金属镍,通过设计折叠形成封闭方盒;在方盒折叠过程中将具有催化双氧水分解特性的铂丝置于其中;具有温度响应性的智能材料是通过原子转移自由基聚合(ATRP)方法接枝到泡沫镍方盒表面的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)涂层。由于PNIPAAm这种高分子材料在低临界溶解温度(LCST,约为32℃)上下其构象变化导致的表面浸润性质差异,该涂层可以在较高温度下(>LCST,如40℃)使器件表现出表面疏水特性,防止水溶液进入器件内部,使其漂浮在水面上;当调至较低温度(如28℃),器件表面呈现亲水性而使水渗入器件中导致整体密度增加而下沉;将温度调回至高温(40℃)并同时在水体系中加入双氧水之后,引发铂丝催化双氧水分解释放氧气气泡,推动器件向上运动至水面。

这一功能协同器件可以应用于有机小分子的定向运输,他们将两种不同密度的有机溶剂与水混合形成油-水-油三相分层体系,再将一种油溶性有机小分子染料溶于上层油相,当把器件至于上层油相时,由于器件表面亲油性质,带有染料分子的有机溶剂可以进入器件内部;调节体系温度至低温,该器件经过水层沉入底部油相,经过水层时由于器件的疏水性并未观察到染料分子扩散到水中,到达底部油相后器件内部的染料分子扩散到底部有机溶剂中;调节体系温度至高温并加入双氧水,该器件又能实现上浮回到上层油相中,该过程实现了有机小分子垂直方向上的定向传输。该功能协同器件在完成对有机小分子的定向运输后,经过油污清洗和干燥后仍然可以循环使用,其性能不受到影响。

该工作进一步推动了功能协同器件这一概念的发展,同时也为智能材料和材料科学的研究提供了一种新的思路,最终为智能材料向复杂功能集成体系的发展提供了一种可能。