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为解决传统超分子聚合物等致动器耐恶劣环境性差、需复杂 fabrication 等问题，研究人员开展离子共价有机框架（iCOF）光致动器研究，制备 V2+-TG 膜，实现快速可逆光致动及三重能量转换，具软机器人等应用潜力。
在智能材料领域，软机器人与人工肌肉的发展亟需高效致动器，但其核心挑战在于如何实现快速能量转换与稳定机械响应。传统致动器多基于超分子聚合物、液晶材料等，依赖弱非共价键，在酸碱等恶劣环境下稳定性不足，且常需通过双层结构设计实现响应，导致 fabrication 复杂。此外，光能量到机械能的直接转换效率低、响应速度慢，限制了其在动态器件中的应用。因此，开发兼具化学稳定性、快速响应能力与高效能量转换机制的新型致动材料成为关键科学问题。
为攻克上述难题，纽约大学阿布扎比分校（New York University Abu Dhabi）的研究团队聚焦于离子共价有机框架（iCOF）这一新兴材料体系，开展了光响应致动机制的深入研究。他们设计并合成了一种由阳离子胍和紫精（viologen） linker 构成的自支撑薄膜 V2+-TG，发现其在紫外（UV）光照射下可实现瞬间可逆的光致动，弯曲角度达 100° 且响应时间小于 3 秒。该研究揭示了独特的三重能量转换级联机制，为光驱动智能材料的设计提供了全新思路。相关成果发表于《Nature Communications》。
研究人员主要采用以下关键技术方法：通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、核磁共振（NMR）光谱确认 V2+-TG 的化学结构，利用扫描电子显微镜（SEM）和高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）观察材料的微观形貌与晶体结构，借助热重分析（TGA）和水 vapor 吸附 - 解吸实验表征材料的热稳定性与水含量，运用热成像技术监测光致动过程中的温度变化，结合瞬态吸收光谱和原位 FT-IR 分析电荷转移动力学，通过电子顺磁共振（EPR）验证自由基生成。
材料合成与结构表征
通过 V2+?2Br? 与 TG?Br 的缩聚反应制备自支撑 V2+-TG 膜。FT-IR 显示 1637 cm?1 处出现亚胺（C=N）键特征峰，13C CP-MAS NMR 在 150 ppm 处出现亚胺碳信号，证实结构形成。SEM 和 HR-TEM 显示薄膜由层状颗粒紧密堆积而成，电子衍射与粉末 X 射线衍射（PXRD）表明其具有二维六方网络结构但存在一定无序性。TGA 显示材料含约 13.5 wt% 水，对应每个晶胞约 40 个水分子，水吸附 - 解吸实验证实水通过离子 - 偶极作用结合于框架中。
光致动行为与机制
V2+-TG 膜在 365 nm UV 光照射下迅速向远离光源方向弯曲，最大弯曲角度达 112°，响应时间小于 4 秒，关闭光源后 10 秒内恢复原状，且可稳定循环 50 次以上。热成像显示照射时局部温度从 <30°C 升至 >102°C，关闭光源后温度骤降，表明存在光热效应。瞬态吸收光谱和原位 FT-IR 证实光激发下发生分子内电荷转移（从胍基连接的苯环到紫精核心），非辐射弛豫产生热量，导致照射侧水分子脱附，形成两侧氢键梯度，驱动薄膜弯曲。真空干燥去除水分后，薄膜失去致动能力，重新暴露于潮湿环境可恢复，验证了水在致动中的关键作用。
多刺激响应与应用探索
除光刺激外，V2+-TG 膜对氨蒸气也表现出超快响应，接触氨蒸气后 0.7 秒内弯曲 280°，移除氨源后 2 秒内松弛。EPR 证实氨诱导紫精形成自由基阳离子，导致水分子脱附与氢键梯度建立。应用测试显示，该薄膜可通过光热效应在 5 分钟内融化 318 mg 冰，覆盖于模拟飞机机翼时能有效防止结冰并清除已形成的冰，照射后机翼局部温度升高至 35°C，展现出在航空除冰、能源设备防冰等领域的实用价值。
研究表明，V2+-TG 膜通过 “光 - 化学 - 热 - 机械” 三重能量转换级联，实现了高效光致动，其机制核心在于分子内电荷转移引发的光热效应与氢键梯度调控。该材料兼具化学稳定性、快速响应性与负载能力（可提起自身重量 270% 的物体），为软机器人、人工肌肉、智能传感器等领域提供了新范式。此外，光热效应的多功能应用（如除冰、加热）拓展了其在极端环境下的技术潜力。未来，通过化学结构调谐优化能量转换效率与环境适应性，有望推动 iCOF 基致动器从实验室走向实际应用，开启智能材料与清洁能源交叉创新的新维度。
