从动态化学到动态图案:可逆Diels-Alder加成反应调控可逆的自褶皱图案

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近年来,材料表面力不稳定性诱导产生的褶皱图案因其可自发形成、具有刺激响应性、易于大面积制备和多功能化等优点引起了研究者们浓厚的兴趣,在柔性微电子器件、可调光学器件、细胞黏附等方面有着非常重要的应用前景。然而在智能表面和器件等许多应用领域如可逆黏附和润湿性、智能传感器等,如何实现动态调控微纳米褶皱图案的原位生长和消除仍然是一个十分重大的挑战。最近我们课题组提出了一种利用Diels-Alder动态化学反应(D-A反应)来制备可逆的褶皱微纳米图案化智能表面的新策略。含有呋喃的聚合物和双马来酰亚胺旋涂在弹形体聚二甲基硅氧烷PDMS,在70℃下表层呋喃和双马来酰亚胺发生D-A化学交联反应,大大增加了表层的硬度,使得表层的杨氏模量从最初的12MPa迅速增加到交联后的980MPa,由于上下层的模量和热膨胀率有很大差异,冷却后产生了压缩应力,应力的松弛导致了表面微纳米褶皱图案的产生。进一步在120℃下发生逆D-A反应,交联的表层发生解聚恢复成最初的未交联状态,表面的褶皱图案因为较软的表层无法聚集应力而逐渐消除。通过控制表层D-A反应的交联程度和硬度实现对表面褶皱图案的可逆调控。可逆的微纳米图案使得其表面具有动态可调的黏附性、润湿性和光学透明性,并且动态化学的本质也赋予了褶皱图案具有可擦写和自修复的功能。基于动态化学反应构建动态可逆的微纳米图案化表面是将动态化学反应的本质充分运用到物理表面应力松弛的体系上来获得智能的微图案化表面。丰富的动态化学反应使得这个全新的策略具有很好的普适性和可设计性,可以拓展到制备具有多重刺激响应性、能够适应不同环境的智能表面,如光可逆的蒽/香豆素类的环加成/开环,葡萄糖响应的硼酸酯类、pH响应的酰腙类/亚胺类等动态化学反应等。这种利用动态化学构建动态可逆的褶皱图案的方法非常简单有效,易于设计和调控,且具有自修复和多功能化等优点都为制备智能材料和器件提供了新的思路。
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