光机械响应材料由于在制备软机器人等方面的巨大潜力正在受到广泛的研究关注。液晶聚合物结合了液晶的各向异性和聚合物的弹性特点，是目前最理想的光机械响应材料之一。通常光机械响应液晶聚合物需要通过在聚合物基体中掺杂光响应分子或光热分子来制备。目前的光响应液晶聚合物主要通过在液晶聚合物基体中交联偶氮苯分子实现，利用其他光响应分子制备响应性液晶聚合物仍然是一个值得探索的方向。螺烯类分子马达是一种能够在交替的紫外光和热刺激下发生360度转动的新型功能分子，该分子的发明人Feringa教授因此获得2016年诺贝尔化学奖。通过将螺烯类分子马达引入液晶体系制备新型光响应液晶聚合物目前并未实现。北京大学工学院杨槐课题组设计并合成了两种可交联的分子马达，通过将两种分子马达交联入液晶聚合物发现，当分子马达只有转子与聚合物连接时，分子马达能够自由的发生光响应异构。然而，当分子马达的转子和定子同时被交联时，分子马达的光响应无法进行，吸收的光能通过热能的方式释放，如图1所示。与传统的通过协同作用放大分子扰动来驱动宏观材料的方法相比，该工作发现小分子的光响应行为能够被宏观材料调控，在光响应材料的研究和制备方面具有一定的指导意义。
图1 （a）分子马达的结构和光致异构示意；（b）（c）两种可交联分子马达的光响应行为示意
通过对两种分子马达的紫外可见吸收光谱和荧光光谱进行表征，发现在紫外光照前后，两种分子马达在未交联之前都出现不同的吸收峰和荧光峰，表明分子马达能够进行光致异构。当交联到液晶聚合物后，M1分子的吸收峰和荧光峰在紫外光照前后均不发生变化，而M2分子的吸收峰和荧光峰都出现变化，并且变化规律与未交联前一致（图2）。这个结果可以说明M1分子交联后不再能发生光致异构，而M2分子交联后可以发生光致异构。
图2 （a）（b）在紫外光照前后，两种分子马达在聚合之后的紫外可见吸收曲线；（c）两种分子马达在紫外光照前后的荧光发射曲线。
该团队在进一步研究中发现，M2分子能够将吸收的光能转化为分子运动的机械能，而M1分子由于不能发生转动，吸收的光能全部转化为热能（图3e）。为了验证这一机理，研究者测试了液晶聚合物薄膜在紫外光照下的温度变化，结果发现，在同样的紫外光强度和掺杂浓度下， M1交联的液晶聚合物的温度明显高于M2交联的液晶聚合物。同时，由于M1强烈的光热效应，使得M1交联的液晶聚合物能够被紫外光驱动产生大幅度形变，如图3所示。
图3 （a）两种液晶聚合物在紫外光照射下的温度变化；（b）（c）（d）交联有M1分子的液晶聚合物的光响应形变；（e）两种分子马达在液晶聚合物中的光响应行为示意。
基于不同分子马达的特有光响应特性，研究者进一步通过M1分子的光热效应，实现了光驱动液晶聚合物的功能化。制备了能够在光控下实现抓取、移动和释放目标物体的光控抓手（图4），表明这种新型的光响应材料在光机械响应材料和光致变色材料等领域的巨大潜力。
图4 M1交联的液晶聚合物薄膜的大幅度光致形变和基于该液晶聚合物制备的光控抓手
这一成果近期发表在Advanced Functional Materials上，北京大学工学院博士研究生兰若尘和工学院博士后孙健为论文的共同第一作者，杨槐教授为此工作的唯一通讯作者。
原文链接：
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000252
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