不对称聚合物刷修饰的自折叠聚合物薄膜的构筑及变形行为研究

The self-folding polymer materials have wide application prospect in new and high technology fields such as tissue engineering, sensors, actuators and soft robot. The efficient, flexible and accurate control of reversible change from two-dimensional structure to three-dimensional structure will be achieved through the asymmetric polymer brush modification of free-standing polydopamine membranes and construction of pattern polymer brush. The influence of chemical composition, microstructure, polymer conformation change and the mechanical property on deformation of films will be studied. The internal connect relationship between microstructure and macro structural deformation will be clarified, and then the self-folding mechanism will be revealed. This study will lay the theory basis and technical support on the basic research and application of the self-folding polymer material in future.

自折叠聚合物材料在组织工程、传感器、执行器、软体机器人等高新技术领域具有广泛的应用前景。本项目拟通过对聚多巴胺自支撑薄膜表面进行不对称聚合物刷的修饰及聚合物刷图案化结构的构筑实现聚合物薄膜二维—三维结构可逆转变的高效、灵活、精确控制。研究化学组成、微观结构、聚合物构象变化、力学性能对薄膜变形行为的影响规律，阐明微观结构与宏观结构变形的内在联系，揭示薄膜的自折叠机理，本项目的研究将为自折叠聚合物材料的研究及应用提供理论依据和技术支撑。

自折叠聚合物材料在组织工程、传感器、执行器、软体机器人等高新技术领域具有广泛的应用前景。本项目研究工作紧紧围绕项目年度计划进行，完成了项目的研究内容，达成预定目标。项目采用了界面氧化聚合的方法制备聚多巴胺自支撑薄膜，然后利用接枝聚合技术与图案化技术通过对聚合物表面进行不对称聚合物刷的修饰及表面图案化结构的构筑得到了自折叠聚合物薄膜、水凝胶薄膜及3D打印驱动器件。研究化学组成、微观结构、构象变化对体系变形的影响规律，阐明了微观结构与宏观结构变形的内在联系，揭示了薄膜的自折叠机理。经研究发现一种新现象：不对称修饰的聚合物薄膜在外场作用下在反向垂直方向发生弯曲，并且此驱动行为不受样品长宽比例限制，利用此原理可实现反向抓取。另外我们结合有限元模拟薄膜的应力分布结合实验研究结果分析了驱动机理。所研究的不对称薄膜体现对液滴具有识别功能，液滴对不同浸润表面的响应驱动行为不同。所研究的驱动体系在外场作用下响应更灵敏，驱动更灵活。通过设计可实现一维、二维向三维的转变，实现仿生驱动、定向运动、仿生运输和捕获、智能开关等功能。所开展的研究工作为仿生机械的先进制造提供数据支持与技术储备。所研制的材料及器件在软体机器人，传感器等方面具有潜在的用途。项目执行期间，研究结果以研究论文的形式报道，在国内外刊物上发表了16篇论文。