基於光響應動態共價鍵的智慧柔性資料，通過感知外部光照刺激改變自身結構，並將分子水准的光化學反應轉化為宏觀的熱或機械響應，從而實現自愈合與形變等一系列仿生功能。與紫外光相比，可見光具有更低的光損傷性、更優的穿透性以及相對較低的光源成本等優勢。當前對可見光驅動的動態共價體系的研究方興未艾。六芳基聯咪唑（HABI）分子開關具有優异的光致變色效能，然而，將其用作光響應動態共價單元的研究甚少。通過在聚合物網絡中引入具有可逆可見光響應特性的HABI分子開關單元，不僅構造出了光可塑形的凝膠資料【ACS Appl. Mater. Interfaces，2019,11，23623】以及擁有光致形變能力的光塑性雙交聯彈性體【Chem. Mater.，2019,31，5081】，還有望實現彈性體資料的光致斷裂和超快自修復。基於HABI分子開關單元構造出的智慧高分子材料，在光控觸發、仿生驅動、光機械加工以及光致修復等領域具有廣闊的應用前景。
近日，華中科技大學武漢光電國家研究中心李沖副教授及其團隊通過往線性聚氨酯（PU）高分子體系中引入可見光響應的HABI分子開關結構單元（圖1a），製備出一種集成了可見光誘導斷裂與快速癒合功能的光致可逆解聚型彈性體資料HABI-PU，因其優良的可逆性質，可作為再生智能材料迴圈使用。
在405 nm可見光照射的條件下，HABI結構中動態共價C-N鍵的可逆斷裂（圖1b）賦予了HABI-PU彈性體塑性變形（光塑性）的能力。在負載條件下，當光照輻射量足够長或集中某一區域照射時，HABI-PU資料可類比壁虎遭遇危險時的自斷尾現象，發生光致斷裂（圖1c）。
圖1.線性HABI-PU高分子彈性體的分子開關結構單元、光塑性機理及光致斷裂現象：（a）HABI結構中動態共價C-N鍵的可逆光解和重組，及405 nm雷射照射下HABI-PU聚合物資料的光致變色現象；（b）HABI-PU彈性體中聚合物分子鏈可逆斷裂的示意圖；（c）405 nm光照並負載時HABI-PU的光致塑性伸長；新增光照輻射量，HABI-PU發生斷裂。
由於HABI分子開關單元作為動態連接點被引入到線性聚氨酯分子主鏈中，光照下，線性聚氨酯主鏈中HABI動態鍵的斷裂致使高分子長鏈斷裂為低分子量的短鏈（凝膠滲透色譜實驗證實）。光照區域分子鏈長的暫時降低可有效提升分子的蠕動性，進而促進傷口的快速融合並修復。HABI-PU膜上的劃傷在405nm雷射照射下僅需30秒便可癒合（圖2a）。厚度更大的HABI-PU塊體資料（厚2.2mm）切斷後光照20s並置於黑暗環境下6h後，其機械效能幾乎能完全恢復（圖2b~d）。
圖2.HABI-PU線性高分子彈性體的快速光誘導癒合。室溫及405 nm雷射照射下，HABI-PU彈性體（a）表面劃傷和（b）割斷損傷的光致癒合過程；（c）割斷的HABI-PU塊體重新拼接後經過不同時間405 nm光照並置於黑暗中6小時後的應力應變曲線；（d）圖2C中最大斷裂應變和應力恢復程度與光照時間的關係。
該工作的主要創新點是：向線性聚氨酯分子中引入六芳基聯咪唑（HABI）分子開關單元，構造了可見光驅動的聚氨酯智慧彈性體資料，即兼顧了聚氨酯彈性體的力學性能，又獲得了優良的光塑性，實現了彈性體資料快速自修復和獨特的光致斷裂功能，HABI-PU是一類具有廣闊應用前景的智能材料。該研究還提出通過凝膠滲透色譜（GPC）驗證分子鏈的光致斷裂現象，為基於HABI類高分子材料的研究提供了重要的實驗證據。
以上相關成果發表在Materials Chemistry Frontiers上，項目得到國家自然科學基金、973計畫等項目的共同資助。論文作者為向詩力（第一作者）、蘇玉煊、趙鵬舉、李沖（通訊作者）、朱明强。
論文題目：Visible Light-Induced Scission and Rapid Healing of Polyurethane Elastomers Based on Photoswitchable Hexaarylbiimidazole Units
全文連結：https://doi.org/10.1039/D0QM00857E
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