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上海交通大学李华、陈玉洁AFM:多环境下的可逆光书写/擦写的聚合物纸,中国橡胶网,zimite.com
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上海交通大学李华、陈玉洁AFM:多环境下的可逆光书写/擦写的聚合物纸
2021年07月08日    阅读量:     新闻来源:中国橡胶网 zimite.com  |  投稿

纸张一直以来都是各行各业中不可或缺的重要材料,虽然随着科技的进步再生的纤维素纸性能不断提升,但制备不会降解且可重复使用的纸一直是研究的瓶颈。同时,由于纤维素会在酸性/碱性环境中分解,基于纤维素纸的信息存储的稳定性会大打折扣。为了克服这些困难,近年来科学家们更倾向于研究数字存储器的更新换代,却忽视了在极端条件下(如溶液中、低温、真空、断电)的信息存储问题中国橡胶网zimite.com。相比于传统的纸张材料,聚合物基材料因易成型、高弹性以及环境稳定性更值得关注,通过精细的结构设计,可以使其具有形状记忆、多重响应、自修复等独特的性能,是新一代多功能纸的完美基体。

另一方面,为了实现多环境的信息记录,相比于热引发的直接接触法,光作为一种绿色、可控、高精度的引发源不会与基体表面接触从而产生摩擦破坏,因此更值得关注。此外,相比于紫外光与可见光,近红外光具有高能量、高穿透率、无毒等优势,是最佳的引发光源。同时,一系列的纳米或微纳米材料具有近红外光光热转化的能力,这其中铁氧体无疑是最佳的选择之一,因为其具有生物可亲性、高性价比、制备安全性等优点。但是不同的制备方法将会导致不同的结构,从而影响光热转化的效率,因此如何制备具有更高效率的铁氧体并将其与聚合物基体复合以达到最佳性能也是值得研究的问题。

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图1(a)聚合物纸复合材料的制备示意图;(b)以MOF为模板制备具有亚微米结构铁氧体的示意图。

针对上述问题,上海交通大学李华研究员和陈玉洁副研究员团队设计了一种具有缝合结构的复合材料,将具有高取向度的液晶相AZO11、具有特殊三维结构的铁氧体smFe与具有形状记忆性能的聚氨酯PU有机结合(图1a)。通过对比可以发现,以MOF为模板并经过热处理后的铁氧体可以继承部分或全部的三维结构:空气处理会使得样品完全氧化并趋于球状,氩气处理则能更好的保留原有的结构(图1b)。此外,MOF中的氨基将会导致热处理后铁氧体部分结构的坍塌,增加其比表面积并使得其排列紧密。

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图2(a)复合材料光热性能的对比图;(b)PU-AZO11-smFe光照前后的光学图与SEM图。

在进行复合之后,可以发现仅仅0.5wt%的smFe就可以大幅提升复合材料的光热转化性能,而AZO11的含量对于光热转化的性能影响不大(图2a)。当对样品表面进行破坏后,部分AZO11与基体之间的π–π作用将被破坏,从而表现为明显的黄色析出,此类破坏将会随着光照后样品温度升高而修复,这是由于样品温度超过AZO11的清亮点时,析出的AZO11液晶相会重新取向排布并充满划痕处。可以看到,关闭光源后,样品表面实现自修复,划痕不再存在(图2b)。

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图3(a)表面书写与光擦写的循环示意图;(b)水下光擦写行为;(c)冰下光擦写行为。

基于此效应,可以将此类复合材料设计为新型的聚合物纸。(图3a)由于加入的铁氧体具有一定的磁性,记录完信息的聚合物纸可以通过磁铁吸附在金属表面,实现类似冰箱贴的功能;并且,因为基体具有出色的形状固定率,样品经过揉搓可以固定形状并记录折痕;利用其出色的形状恢复率,在近红外光照射下可以实现表面擦写与形状记忆的双重功能。此外,因为体系内具有大量的疏水基团,聚合物纸在水与冰中具有出色的稳定性,存放一周后并无明显变化,并在红外光辐射条件下仍具有光擦写性能(图3b-c)。

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图4(a)表面书写与光擦写的循环示意图;(b)水下光擦写行为;(c)冰下光擦写行为。

除此之外,在对样品表面实施整体揉搓的预处理后,样品将呈现出整体均匀的黄色析出,此时采用点光源对其照射可以实现局部的修复行为,宏观上表现为光书写的性能;将书写完的样品整体经过近红外光的照射后会完全恢复至初始状态,构成可逆循环。(图4a)当点光源的入射强度不断提升,使得光热转化的能量高于环境中的耗散能量时,就可以实现远程的水下与冰下光书写行为。(图4b-c)

综上所述,此类材料可以很好地实现信息存储功能,并被应用多种环境(空气、酸性/碱性/中性溶液、冰下),为新一代纸的研发设计奠定了基础。相关工作成果以“eversible Writing/Re-Writing Polymeric Paper in Multiple Environments”为题发表在Advanced Functional Materials,上海交通大学博士研究生陈驰为文章的第一作者,陈玉洁副研究员和李华研究员为通讯作者。


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