仿生思想一直是是材料科学进行材料创新的重要研究思路。这一次，来自日本的材料化学家Akira Harada 开发出新型超分子凝胶，这种材料可以在外部简单光照刺激下发生伸缩运动。发明者将其形象地称为“人工分子肌肉”。

（本研究中，Akira Harada发明的一种水凝胶。开始阶段在右侧用紫外光进行照射，材料逐渐向右侧倾斜，随后，在右侧用可见光照射，材料又由倾斜恢复竖直。）

透过表象看分子

是什么赋予了材料的光响应性?原来，研究者在超分子水凝胶内部使用了互锁滑环结构，利用的是环糊精与偶氮苯类物质的超分子相互作用。在可见光照射下，环糊精与反式偶氮苯有着主客体相互作用，而在紫外光下，偶氮苯由反式变为顺式，此时环糊精与偶氮苯将不再匹配并导致出现“滑环”现象，分子链的末端之间距离变近，单侧光照射下该侧材料内的分子更易发生这种反应，宏观上表现为材料向某一侧弯曲，于是，你就看到了文首图片的现象。

（通过模型化合物展示的分子层次上的收缩与舒展。）

（凝胶分子结构示意图）

(光响应超分子凝胶中发生的分子结构变化)

通过周期性地施加不同波段的光源，偶氮苯就发生了反式与顺式的周期性改变，材料的收缩与舒展因此可以反复进行多次，参见下图（为方便观察，播放速度进行了加快处理）。

干凝胶——2.0版的“分子肌肉”

上述实验研究对象只是水凝胶，为了提高其应用范围，研究者将水凝胶冻干，制成干凝胶。比水凝胶更优越的是，干凝胶响应速度极快，响应速度为水凝胶的10000倍以上。

（干凝胶在单侧紫外光照射下产生快速响应）

但是干态凝胶也有着其固有缺陷，它没有上述水凝胶的可通过周期性光照波长改变其伸缩形状的性质。也就是说，紫外光把干凝胶“掰弯”后，可见光没法再把它“掰直”。研究者对此的解释是：紫外光状态下，偶氮苯变为顺式，空间阻碍性使得环糊精必须滑脱移动，宏观上发生与水凝胶一致的收缩现象，但是用可见光照射后，即便偶氮苯恢复为反式，由于材料为干态，弱疏水相互作用无法发挥出其作用，环糊精就无法识别反式偶氮苯，宏观上则无响应性出现。

不过，为了让干凝胶材料形变具备一些可逆性，研究者想出了一个妙招：在相反的一侧施加紫外光。

另外，通过在多个局部位点施加光照，可以让材料产生更复杂的曲折结构。

让分子更智能

研究者希望这个技术可以应用多种场景中。作为一种概念的原型展示，他们给出了一种可用光来施加指令的高分子“手指”。

（用干凝胶材料作为夹具的一个臂，该臂在紫外光下发生弯曲，可以成功夹取一根火柴。）

下一步，Akira Harada 希望他们的材料可以更快地移动，他们也希望这种材料能在分子驱动器、智能医用材料等领域得到应用。

参考文献：

Iwaso, K.; Takashima, Y.; Harada, A., Fast response dry-type artificial molecular muscles with [c2]daisy chains. Nat. Chem.,2016, DOI: 10.1038/nchem.2513

————来源：高分子科学前沿