西工大张秋禹/张建波、港中深唐本忠院士/赵征 Nat. Commun.:荧光聚酰亚胺光驱动器新成果

学术   2024-11-27 18:37   江苏  
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日,西北工业大学化学与化工学院张秋禹教授团队联合香港中文大学(深圳)唐本忠院士团队在《Nature Communications》期刊在线发表题为《Fluorescent robust photoactuator via photocrosslinking induced single-layered janus polyimide》的研究论文。



先进的智能聚合物材料能够在外部刺激下进行可逆变形或同时结合其他响应行为,因其独特的性能而受到人们的广泛关注,在很多领域都有着广泛的应用,例如人造肌肉、软驱动器、生物医学领域方面。大量的研究致力于制造多功能先进光驱动器,聚焦材料设计和驱动机制探索。其优势在于光的远程、空间操控性。这引发了一个有趣的问题:是否有一种一体化的策略,只利用单一波长的光将多种先进的功能集成到一种单一的材料中,同时实现光控的非均匀的空间分布、驱动器的快速和可逆复杂变形以及信息加密、擦除等。然而对这种多功能材料的探索仍然有限。此外,对于实现各种高科技领域的实际应用,对智能材料的强度、模量、耐热性和耐候性提出了更高的要求。很明显,这是一个重大的挑战,但非常具有吸引力。


本研究开发了一种高效、温和的无催化巯基-炔点击聚合来制造感光聚酰亚胺(PI)。两种聚合单体在不需要加入任何催化剂的情况下,在30 °C聚合15分钟即可得到高分子量的PI,并控制巯基和炔之间仅发生一次反马氏加成,从而保留光敏性双键在聚合物分子主链。几种薄膜具有高的机械性能、良好的透光性、高热稳定性以及高折射率等性能。由于制备的PI分子主链包含光敏性双键,并且其可以在紫外辐照下发生交联反应,这赋予了该材料构筑异质性和可编程性驱动器的可能。通过紫外线辅助光交联薄膜直接获得具有单层Janus结构的荧光光驱动器,表现出紫外光控的可逆响应。这是由于PI薄膜中存在光敏性双键,当正面受到紫外光辐照后发生交联,而背面仍保持了原来的线性结构,薄膜正反两面膨胀系数的不匹配从而实现紫外光热驱动。同时,由于UV光致增强PL特性,含有聚集诱导发光基元的TPE-PI薄膜两面呈现不同强度的荧光发射,进一步证明其Janus结构。同时,仅通过使用单束UV光可以轻易实现PI膜的选择性非均匀空间分布、驱动器的快速可逆复杂变形以及驱动器上的信息的加密、读取和擦除。由于其优异的机械性能和驱动能力,即使在重载情况下,也能将光能转化为明显的运动。团队将在未来的研究中继续探索能够选择性地响应多波长光的聚合物并专注于小型化,这将有利于微机器人和仿生制造的进步。


西北工业大学与香港中文大学(深圳)联合培养博士薛书宇为论文的第一作者,西北工业大学张秋禹教授张建波教授以及香港中文大学(深圳)理工学院唐本忠院士,赵征助理教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、深圳市科创委基金及重点实验室的基金资助。


1 基于巯基-炔点击聚合制备聚酰亚胺及其性能


2 AIE gen分子及聚合物的光物理性质


3 PI驱动器的构筑及机理


4 PI爬行驱动器


5 图案化光驱动器的设计


6 PI驱动器潜在的应用


论文信息

Shuyu Xue, Zhipanxin Shi, Zaiyu Wang, Haozhe Tan, FengGao, Zicong Zhang, Ziyue Ye, Shifeng Nian, Ting Han, Jianbo Zhang*, Zheng Zhao*, Ben Zhong Tang* & Qiuyu Zhang*. Fluorescent robust photoactuator via photo-crosslinking induced single-layered janus polyimide. Nature Communications 2024, 15, 10084.


论文链接

https://doi.org/10.1038/s41467-024-54386-9


作者简介

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张秋禹,西北工业大学长聘教授,博导,教育部“长江学者”特聘教授,中国化工学会会士。主要从事有机多孔材料、功能与智能高分子和能源与催化材料研究。担任特种功能与智能高分子材料工信部重点实验室、西安市功能有机多孔材料重点实验室主任等职务。兼任中国材料研究学会高分子材料与工程分会委员、中国化学会高分子学科委员会委员、陕西省化学会副理事长等。近五年承担民机专项、国家重点研发项目、国家自然科学基金重点项目、面上项目,国防基础科研、军品型号配套项目等多项科研项目。在Nat. Commun、Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等国际顶尖期刊发表多篇高水平学术论文,近五年引用超2万次,是科睿唯安全球高被引科学家。获授权发明专利100余件,成果转化10余件。相关研究成果获国家科技进步二等奖1项、陕西省科技奖一等奖2项、二等奖2项,国防科技进步一等奖1项,中核集团特等奖1项,陕西省教学成果二等奖2项。荣获全国巾帼建功标兵、政府特殊津贴、陕西最美科技工作者、陕西省杰出人才(特支计划)等称号。


唐本忠教授1982年获华南理工大学学士学位,1985年、1988年先后获日本京都大学硕士、博士学位。曾在多伦多大学从事博士后研究、日本NEOS公司中央研究所任高级研究员。1994–2021年在香港科技大学工作。2009年、2017年、2020年先后当选中国科学院院士、亚太材料科学院院士、发展中国家科学院院士。2021年加入香港中文大学(深圳)担任理工学院院长、校长学勤讲座教授。主要从事高分子化学和先进功能材料研究。在聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission, AIE)这一化学和材料前沿领域取得了原创性成果,是AIE概念的提出者和AIE研究的引领者。已发表学术论文2,000多篇,总引用超180,000次,h因子为187。在学术会议上作了500多场邀请报告,拥有100多项授权专利。现任德国Wiley出版社发行的Aggregate《聚集体》杂志主编以及20多家国际科学杂志顾问、编委或客座编辑等。2014年至今连续当选全球材料和化学双领域“高被引科学家”。2007年获Croucher基金会高级研究员奖,2012年获美国化学会高分子材料科学与工程分会MACRO讲座奖,2014年获伊朗国家科技部颁发的Khwarizmi国际奖,2015年获广州市荣誉市民称号,2017年获国家自然科学一等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖,2021年获Nano Today国际科学奖,2023年获生物材料全球影响力奖,2024中国化学会-中国石油化工股份有限公司化学贡献奖。


赵征,博士生导师,香港中文大学(深圳)校长青年学者,香港中文大学(深圳)材料科学与工程研究生项目主任。中国人体健康科技促进会临床微生物与感染精准专业委员会常务委员,中国抗癌协会医工整合专业委员会委员、中国感光学会光学传感与诊疗专委会委员、深圳市分子聚集体功能材料重点实验室副主任,香港中文大学(深圳)第二附属医院AIE临床转化中心执行副主任,获首届中国化学会朱道本有机固体青年创新奖、Materials Chemistry Frontiers新锐科学家、Journal of Materials Chemistry B新锐科学家、Chemical communications新锐科学家等荣誉称号,2021-2023连续三年入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。赵征教授博士毕业于中国科学院上海有机化学研究所,在香港科技大学完成博士后研究后加入东南大学任教授并开展独立研究工作, 2021年加入香港中文大学(深圳)理工学院开展研究工作。当前的研究兴趣包括新型聚集体光功能材料、聚集体光敏剂及其应用、近红外二区发光材料及其应用。已在Nat. Photonics、Natl. Sci. Rev、Nat. Commun、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、ACS Central Science.、Adv. Mater等国际顶级期刊发表论文100余篇,包括13篇ESI高被引论文,论文总计被引用10000余次,单篇最高引用1000次,H-index 56。获授权中国专利6项、美国专利1项。主持科技部重点研发项目课题、国自然面上项目、深圳市面上项目等6项。兼任Discover Molecules 期刊(Springer Nature)分栏主编,Aggregate期刊顾问编委,National Science Review期刊青年编委,Smart Molecules期刊青年编委,Chinese Chemical Letters期刊青年编委,《集成技术》期刊青年编委等。


张建波教授博士毕业于中国科学院上海有机化学研究所,师从韩秀玲副研究员和陆熙炎先生,随后在韩国基础科学研究院和韩国科学技术院Sukbok Chang课题组从事博士后研究,于2022年2月入职西北工业大学化学与化工学院并开展研究工作。当前研究兴趣主要包括硼烷促进的惰性化学键活化,功能高分子的精准合成、后期修饰和应用研究。已在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表学术论文16篇,主持国家自然科学基金-青年基金项目、陕西省重点研发一般项目等3项。


本文第一作者为西北工业大学与香港中文大学(深圳)联合培养博士生薛书宇

薛书宇,本科毕业于西北工业大学,随后继续于西北工业大学进行硕博连读,师从张秋禹教授,于2022~2023在香港中文大学(深圳)、香港科技大学唐本忠院士团队进行博士联合培养,合作导师为赵征教授和唐本忠教授。主要研究方向为特种功能性聚酰亚胺材料和聚集体发光材料的设计合成及其在柔性电子、光电器件、驱动器等领域的应用。共发表高水平论文9篇,其中以第一作者在Nat. Commun、Macromolecules等期刊发表论文4篇,申请国家发明专利3项。曾获陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖、中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛陕西省银奖及校金奖、中国国际大学生创新大赛陕西省银奖及校金奖、全国高分子学科研究生学术论坛口头报告优秀奖、全国高分子学术论文报告会“Best Poster Award”及校级优秀本科毕业论文等。参与多项国家自然科学基金等横、纵向课题。


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