[发明专利]光感驱动纤维及其制备方法、光驱动马达和光驱动纳米机械臂

说明书

本发明提供了一种光感驱动纤维，包括光感高分子材料，所述光感高分子材料的结构式如式（Ⅰ），所述k取值为4～12中的任一整数，所述m取值为1～10中的任一整数，所述n取值为1～10中的任一整数，所述p取值为10～100中的任一整数；所述光感驱动纤维的直径为100～1000 nm，所述光感高分子材料的聚合物链沿所述光感驱动纤维的轴向排布。由于这种轴向排列方式，纳米纤维内的聚合物链端的偶氮苯不再随机异构，只能在一个方向上异构，因此制备出的纳米纤维的形变方向可被控制，能够基于一定方向光照进行特定方向的形变。本发明还提供了一种光感驱动纤维的制备方法、光驱动马达和光驱动纳米机械臂。

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种光感驱动纤维，本发明还涉及一种光感驱动纤维的制备方法，本发明还涉及一种光驱动马达和光驱动纳米机械臂。

背景技术

光驱动马达一直是科学界的一个十分热门的研究领域。纳米纤维复合材料凭借优异的综合性能，常用于构筑光驱动马达，完成各种特定的任务，例如光电开关、光驱动镊子、纳米机器人、光响应传感器等。目前，已经有相关利用光驱动石墨烯复合材料制备光驱动马达的相关报道，但是此类光驱动马达的驱动过程不可控，究其原理为所采用的光感驱动纤维的变形过程不可控，即在光照下，光感驱动纤维随机发生形变，导致光驱动马达很难按照设定的运动方向完成特定的动作，大大限制了光驱动马达的应用范围。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种光感驱动纤维及其制备方法，本发明还提供了一种光驱动马达以及光驱动纳米机械臂，以解决现有光感驱动纤维形变不可控，难以按照预设的运动轨迹完成光驱动的问题。

第一方面，本发明提供了一种光感驱动纤维，包括光感高分子材料，所述光感高分子材料的结构式如式(Ⅰ)：

所述k取值为4～12中的任一整数，所述m取值为1～10中的任一整数，所述n取值为1～10中的任一整数，所述p取值为10～100中的任一整数；

所述光感驱动纤维的直径为100～1000nm，所述光感高分子材料的聚合物链沿所述光感驱动纤维的轴向排布。

本发明光感驱动纤维包括式(Ⅰ)光感高分子材料，式(Ⅰ)光感高分子材料的形变主要是依靠其侧链上官能团偶氮苯的异构化。如图1所示，在不同波长的光照下，偶氮苯可以随机发生顺式或反式异构形变，异构化的随机性导致官能团偶氮苯的结构转换的不确定性。如果异构化是随机的，纤维的形变也会是随机的，生产实践中无法基于纤维的随机变动完成特定的光驱动操作，例如制备光驱动开光、纳米机器人、光驱动纳米机械臂或者光响应传感器等，因此这类随机异构化的官能团及对应的纤维随机变动无法在生产实践中广泛应用。如果偶氮苯的异构过程可控，则异构的偶氮苯促使高分子聚合物链(主链)定向变形，进一步促使纤维整体发生变形，完成光驱动过程。

如图2b所示，传统的纤维中，高分子聚合物链是无序排布状态，由于每一根高分子聚合物链彼此处于无序状态，当高分子聚合物链接受光照进而产生形变时，每一根高分子聚合物链随机变形，导致纤维整体变形过程不可控或者形变不显著。如图2a所示，本发明通过静电纺丝工艺约束纤维的直径，使得纤维的直径变得更小，本发明光感驱动纤维的直径为100～1000nm。基于光感驱动纤维的直径限制，在纳米纤维内，绝大部分聚合物链(主链)将沿轴向排布，而不是传统的无序排布。聚合物链沿轴向排布使得占用的空间更小，聚合物链与链之间更紧密。由于这种轴向排列方式，纳米纤维内的偶氮苯不再随机异构，只能在一个方向上异构，因此制备出的纳米纤维的形变方向可被控制，能够基于一定方向光照进行特定方向的形变(光感驱动)。

具体的，所述k取值为4、5、6、7、8、9、10、11或者12。由此侧链上的偶氮苯离主链有一定距离，避免了空间位阻效应影响纳米纤维进行光控异构。