鲍哲南院士团队：新发现！可承受自身重量5000倍的人造肌肉——高能形状记忆聚合物

斯坦福大学化学工程学院院长鲍哲南教授早在2010年就开始了人造电子皮肤方面的研究，并取得了非常卓越的成果。近期，鲍哲南教授及其合作者在人造肌肉——高能形状记忆聚合物方面也有重大突破。他们发现了一种基于应变诱导超分子纳米结构形成实现高能量密度、单向形状记忆聚合物的方法。研究成果以“High Energy Density Shape Memory Polymers Using Strain-Induced Supramolecular Nanostructures”为题发表在《ACS Central Science》上。

在软体机器人，智能生物医学设备等新兴领域，形状记忆聚合物（SMP）由于延展性大，形状恢复性好，能够实现大应变和无滞后形状恢复而被广泛应用。当拉伸或变形时，形状记忆聚合物在加热或光照后会恢复到原来的形状。但目前开发的形状记忆聚合物还无法存储足够的能量。实现同时具有高恢复应力和大可恢复应变的高能量密度SMP是一项重大挑战。

鲍哲楠教授团队对形状记忆机制的更新能够有效解决这一问题。该机制基于由具有动态键的聚合物链形成应变诱导的超分子结构。在应变下，聚合物链排列成稳定且分层组织的超分子纳米结构，将拉伸的聚合物链捕获在高度拉长的状态。因此，储存了大量能量（19.6 MJ/m³或 17.9 J/g），比之前报道的最佳SMP高六倍，同时保持接近100%的形状固定和恢复。

【高能形状记忆聚合物PPG-MPU】

在鲍哲南教授之前的工作中已经提到如果聚合物链的总数均分子量低于聚合物的临界缠结分子量，则具有周期性和定向动态键的聚合物链会自发组装成超分子纳米纤维。高能形状记忆聚合物（PPG-MPU）就是采用这一理念设计的一种通过一步合成二胺封端的聚（丙二醇）（PPG）和4,4'-亚甲基双(异氰酸苯酯)制备而成的高能量密度形状记忆聚合物。PPG-MPU采用无定形结构，由于拓扑纠缠不存在大的超分子聚集体。当受到应变时，聚合物链对齐，动态键重新组装成大而有序的超分子纳米结构。

使用应变诱导超分子结构在形状记忆聚合物中实现高能量密度。

【高能形状记忆聚合物PPG-MPU的特性与应用】

PPG-MPU具有清晰的形状可编辑性。PPG-MPU在进行超过300%的拉伸后将其加热到70℃后能够恢复到原始长度。具有动态键的柔性聚合物的高延展性归因于动态键的不断断裂和重组形成的高分子连段滑动。PPG-MPU的高能形状恢复性能使其具有作为强大、快速且柔软单向执行器的潜力。为了证明PPG-MPU的高能量密度及其廉价且可扩展的合成，该工作使用预应变PPG-MPU作为“人造肌肉”驱动全尺寸人体手臂模型。加热时，松弛的PPG-MPU“肌肉”(3.8克)中的纤维收缩以抬起并支撑全尺寸手臂(0.6公斤)。这突出了通过形成应变诱导的超分子纳米结构在PPG-MPU中实现的高能量密度和理想形状恢复。这些特性的结合展示出令人兴奋的应用潜力，包括与3D或4D打印的集成、更复杂的图案或编程以及局部控制的驱动等。

由拉伸形状记忆聚合物制成的人造肌肉在加热时收缩，弯曲人体模型的手臂。

【结论】

这项工作首次报告了基于超分子纳米结构的形状记忆聚合物，其能量密度达到历史新高（19.6 MJ/m³），且具有90%以上的形状固定和恢复率。这种性能是通过应变诱导超分子纳米结构的新机制实现的，该结构将柔性聚合物链固定在高度伸长的状态，增加了存储的熵能。此外，报道的聚合物是使用简单的一锅法合成的，成本低（原料<$5/kg）、组分简单、溶液可溶且密度低。这些特性与PPG-MPU优异的形状记忆特性和高能量密度相结合，证明了使用应变诱导超分子结构来实现高能量密度单向形状记忆聚合物十分具有吸引力。

文章来源：

High Energy Density Shape Memory Polymers Using Strain-Induced Supramolecular Nanostructures. ACS Central Science.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.1c00829

来源：高分子科学前沿

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