光一照，材料就 “跳舞”，復(fù)旦俞燕蕾團(tuán)隊(duì)開啟智能材料新次元？
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-09-04 15:05:05
|
近日，復(fù)旦大學(xué)智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)院的俞燕蕾教授率領(lǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)?wèi){借創(chuàng)制具有優(yōu)異形變性能和強(qiáng)大致動(dòng)能力的高分子液晶致動(dòng)材料，獲得2024年度上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。這一成果如同璀璨的明星，在材料科學(xué)領(lǐng)域閃耀著光芒，不僅重新定義了智能材料的未來圖景，還為軟體機(jī)器人和智能醫(yī)療提供了創(chuàng)新方案。 一、高分子液晶：神奇的材料特性與早期分類 液晶高分子材料是一種在特定條件下能以液晶相態(tài)存在的高分子材料，它巧妙地結(jié)合了液晶和高分子的特性，具有獨(dú)特的分子取向序和位置序。這種材料就像是一個(gè)擁有多種超能力的“精靈”，不僅具有高強(qiáng)度和高模量，還具備耐輻射、耐氣候老化、阻燃和耐化學(xué)腐蝕性等優(yōu)異性能。 也正是因?yàn)檫@些出色的特性，液晶高分子被廣泛應(yīng)用于眾多高端領(lǐng)域，如防彈衣、航天飛機(jī)、宇宙飛船等，為保障安全和探索宇宙貢獻(xiàn)著力量。同時(shí)，它也廣泛用于微波爐具、纖維光纜的被覆、儀器、儀表、汽車及機(jī)械行業(yè)設(shè)備及化工裝置等日常和工業(yè)場(chǎng)景中。此外，由于其光、電、磁及分離等功能特性，液晶高分子還可用于光電顯示、記錄、存儲(chǔ)和分離材料等。 液晶高分子的分類方式多種多樣。主要依據(jù)液晶基元在高分子鏈中的位置，可以分為主鏈型、側(cè)鏈型和復(fù)合型。主鏈型液晶高分子的液晶基元位于大分子主鏈，側(cè)鏈型液晶高分子的液晶基元位于高分子側(cè)鏈，而復(fù)合型液晶高分子則在主鏈和側(cè)鏈中都含有液晶基元。另外，液晶高分子的合成主要是通過小分子液晶化合物的共聚、均聚或接枝反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。 液晶態(tài)是一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)，它兼有晶體和液體部分性質(zhì)，具有液體的流動(dòng)性和連續(xù)性，又有晶體的各向異性。液晶態(tài)與晶態(tài)的區(qū)別在于它部分缺乏或全沒有平移序，而與液態(tài)的區(qū)別則在于它仍存在一定的取向有序性。 液晶高分子材料已經(jīng)超越了高分子材料科學(xué)、化學(xué)科學(xué)和材料科學(xué)的領(lǐng)域，涉及了物理學(xué)、生命科學(xué)和信息科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，是一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域和前沿學(xué)科，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)工業(yè)、國(guó)防和人民生活顯現(xiàn)出日益重要的作用。 而且，液晶高分子還可以根據(jù)液晶的生成條件分為溶致液晶、熱致液晶、兼具溶致與熱致液晶、壓致液晶和流致液晶。溶致液晶是由溶劑破壞固態(tài)結(jié)晶晶格而形成的液晶，熱致液晶是由加熱破壞固態(tài)結(jié)晶晶格、但保留一定取向有序性而形成的液晶。兼具溶致與熱致液晶既能在溶劑作用下形成液晶相，又能在無溶劑存在下僅在一定的溫度范圍內(nèi)顯示液晶相的聚合物。  壓致液晶是指壓力升高到某一值后才能形成液晶態(tài)的某些聚合物，而流致液晶是指流動(dòng)場(chǎng)作用于聚合物溶液所形成的液晶。此外，它還可以根據(jù)高分子鏈形狀、高分子的來源以及主鏈上是否含有芳香環(huán)來分類，這些分類方法有助于我們更好地理解和研究液晶高分子材料的特性和應(yīng)用。 二、俞燕蕾團(tuán)隊(duì)的突破：從分子設(shè)計(jì)到器件構(gòu)建的全方位創(chuàng)新 在自然界中，章魚觸手柔軟如綢緞亦能瞬間收緊完成精準(zhǔn)抓握，這樣的致動(dòng)能力也是科學(xué)家努力的方向——創(chuàng)制既有高分子材料的柔韌可塑性，又具有液晶分子對(duì)外界刺激的靈敏響應(yīng)，創(chuàng)制能夠響應(yīng)外界刺激的智能軟材料。 俞燕蕾教授創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出基元有序排列的高分子液晶材料，突破了傳統(tǒng)高分子液晶致動(dòng)材料內(nèi)部分子排列松散、需通過化學(xué)交聯(lián)固定結(jié)構(gòu)、無法兼容通用高分子加工方法的瓶頸。  新材料擁有堪比天然蜘蛛絲的力學(xué)性能，而且還可制成纖維、薄膜甚至復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)；遇光刺激時(shí)，分子整齊運(yùn)動(dòng)，能夠帶動(dòng)整個(gè)材料收縮、彎曲。這項(xiàng)研究登上《自然》雜志，引發(fā)了全球科學(xué)家的廣泛關(guān)注，其中包括諾貝爾獎(jiǎng)得主本·J·費(fèi)林加等眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的借鑒引用。 但是傳統(tǒng)材料內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外界刺激引起的微觀變化無法有效傳遞，導(dǎo)致整體形變幅度有限。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)引入能量存儲(chǔ)與釋放機(jī)制，通過將材料預(yù)拉伸，可實(shí)現(xiàn)液晶結(jié)構(gòu)的變化，使材料內(nèi)部?jī)?chǔ)存了大量能量。 當(dāng)光照觸發(fā)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，存儲(chǔ)的能量瞬間釋放，產(chǎn)生高達(dá)81%的收縮形變，相當(dāng)于將1米長(zhǎng)的材料瞬間縮短至19厘米。研究人員還引入氫鍵，提高分子間的能量傳遞效率，提高了材料的靈敏度，實(shí)現(xiàn)“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的快速響應(yīng)，以此構(gòu)筑的仿生爬蟲運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到同類材料的5倍。 傳統(tǒng)高分子液晶致動(dòng)材料受限于分子結(jié)構(gòu)與制備方式，既不夠強(qiáng)韌，也難以輸出足夠的驅(qū)動(dòng)力，在構(gòu)筑致動(dòng)器件時(shí)往往力不從心。高分子液晶致動(dòng)新材料分子的結(jié)構(gòu)是可設(shè)計(jì)的，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過對(duì)分子結(jié)構(gòu)和排列方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，將材料模量變化范圍覆蓋三個(gè)數(shù)量級(jí)跨度，使之能與塑料、橡膠等多種材料無縫結(jié)合，構(gòu)建復(fù)雜三維器件，提升拓展性能和功能。 這一策略很快得到國(guó)際同行的借鑒和應(yīng)用，由此開啟了高分子液晶智能致動(dòng)研究的新方向，推動(dòng)了高分子液晶材料新體系的構(gòu)建，目前該領(lǐng)域每年都有新的工作發(fā)表，引發(fā)了全球科學(xué)家對(duì)高分子三維致動(dòng)器的研究熱潮。 三、應(yīng)用拓展與科研影響力：從微觀到宏觀的創(chuàng)新成果 高分子液晶致動(dòng)新材料的應(yīng)用被寄予很高的期待。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用高分子液晶致動(dòng)新材料構(gòu)筑出具有光響應(yīng)特性的三維微管致動(dòng)器，首次實(shí)現(xiàn)了微量液體的全光控輸運(yùn)。 這款能在微尺度馭“水”的神器利用微管光照形變產(chǎn)生的毛細(xì)作用力，使液體自發(fā)向管的細(xì)端移動(dòng)，能對(duì)水溶液、乙醇、汽油等各種流體進(jìn)行精確操控。這項(xiàng)技術(shù)具有非接觸、無污染等特點(diǎn)，有望在生物醫(yī)藥設(shè)備、生化檢測(cè)分析、微流反應(yīng)器等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，被稱為“具有真正開創(chuàng)意義的優(yōu)秀成果”。 高分子液晶致動(dòng)材料的創(chuàng)制是新材料的高光領(lǐng)域，俞燕蕾教授團(tuán)隊(duì)代表中國(guó)基礎(chǔ)研究的實(shí)力站在國(guó)際研究的前沿，實(shí)現(xiàn)了從跟跑到領(lǐng)跑的跨越。在這場(chǎng)科研“攀峰”的過程中，俞燕蕾曾2次登上《自然》雜志，卻有完全不同的心境。 2003年，俞燕蕾以第一作者身份在《自然》上發(fā)表液晶材料的光致形變研究成果，那時(shí)她在日本公派留學(xué)，論文的署名單位為東京工業(yè)大學(xué)。這成為她心里的一個(gè)遺憾，也因此立志要在中國(guó)的科研土壤上培育出更好的創(chuàng)新成果。 拿了博士學(xué)位后的第二個(gè)月，她毅然返回復(fù)旦大學(xué)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從零開始，以“敢闖無人區(qū)”的魄力深耕光響應(yīng)液晶高分子領(lǐng)域。經(jīng)過十余年技術(shù)攻關(guān)，她作為獨(dú)立通訊作者、復(fù)旦大學(xué)作為唯一署名單位，再次登上《自然》。 如今，在不斷增強(qiáng)自身團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)創(chuàng)新力的同時(shí)，俞燕蕾教授也致力于提升中國(guó)科研的國(guó)際影響力，多次受邀在頂級(jí)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議和期刊上報(bào)告或撰寫評(píng)述，推動(dòng)了中國(guó)在該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)話語權(quán)。 此次復(fù)旦大學(xué)俞燕蕾教授團(tuán)隊(duì)獲得2024年度上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，是對(duì)他們多年來科研努力的高度認(rèn)可。他們的成果不僅在材料科學(xué)領(lǐng)域具有重要價(jià)值，也為相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域帶來了新的突破和發(fā)展機(jī)遇，未來有望在更多領(lǐng)域綻放光彩，為人類社會(huì)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_584099.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
相關(guān)新聞
- [2025-09-04]·兩部門：到2026年工業(yè)母機(jī)高質(zhì)量
- [2025-08-29]·萬華化學(xué)攜手吉利汽車實(shí)現(xiàn)車規(guī)級(jí)
- [2025-08-29]·無氟安踏膜全球發(fā)布 中國(guó)自研技
- [2025-08-29]·山東研控再生資源廢塑料化學(xué)循環(huán)
- [2025-08-29]·華峰化學(xué)與超盈紡織簽署深化技術(shù)
- [2025-09-04]·光一照，材料就 “跳舞”，復(fù)旦
- [2025-09-04]·百萬噸新產(chǎn)能入市 丙烯腈行業(yè)面
- [2025-09-04]·普利特安徽改性材料基地正式投產(chǎn)
- [2025-09-04]·齊翔騰達(dá)將新建8000噸/年高性能
- [2025-09-04]·神馬股份成功研發(fā)11克旦超高強(qiáng)尼
主辦單位：山東省化工情報(bào)信息協(xié)會(huì)
山東省濟(jì)南市文化東路80號(hào)郵編：250014電話：0531—86399950、86399980、86399990傳真：0531—86399186
山東化工網(wǎng)在線交流：
Copyright(C)山東省化工情報(bào)信息協(xié)會(huì) 版權(quán)所有 備案號(hào)：魯ICP備2021036540號(hào)
山東省濟(jì)南市文化東路80號(hào)郵編：250014電話：0531—86399950、86399980、86399990傳真：0531—86399186
山東化工網(wǎng)在線交流：
Copyright(C)山東省化工情報(bào)信息協(xié)會(huì) 版權(quán)所有 備案號(hào)：魯ICP備2021036540號(hào)
魯公網(wǎng)安備 37010202001033號(hào)