基于选择性光解交联实现液晶聚合物驱动器的光重构——三维折纸形变及光控运动

在全新的智能材料时代，研发可以通过外部刺激（如:光，热，电，磁等）产生机械形变及运动的软体驱动器是近年来的研究热点之一。基于液晶交联网络的软体驱动器结合了液晶的各向异性和橡胶的弹性，通过液晶基元的可逆相变，可产生大幅度的宏观可逆形变。所以这类驱动器在人工肌肉、软体机器人等诸多领域具有广阔的应用前景。然而，由于交联结构的存在，大多数液晶驱动器很难被重新加工或重新构筑成新的形态，这极大地限制了这类驱动器的进一步发展和应用。

最近加拿大舍布鲁克大学（University of Sherbrooke）赵越教授团队发明了一种新型光重构液晶驱动器。与其它传统的液晶驱动器不同，这种驱动器能以同一个液晶驱动器为基础，通过光编程实现其一系列复杂的三维到二维可逆机械形变及运动。该材料的光可重构性依赖于引入的具有可逆二聚与解聚反应的蒽基团，一方面基于其在365 nm的紫外光照射下形成二聚体使高分子链交联，另一方面利用二聚体在254 nm紫外光照射下的解聚反应来实现对驱动器的选择性的光解交联。因此，作者从同一个交联液晶驱动器开始，利用254 nm紫外光逐步对其进行空间图案化解交联，精确控制交联区域和解交联区域，使液晶材料在热驱动过程中产生不均匀的驱动力分布及相应的三维形变。例如，一张具有塔形的平面交联液晶驱动器，通过紫外光对其顶面及底面进行选择性重构后，可自动在热刺激下折叠成“飞机”状的三维结构。逐步光编程解交联区域的分布，同一驱动器还可逐一实现“公牛”和“青蛙”状的可逆形变。更有趣的是，这一理念还可以应用于改变驱动器行走方式和方向。作者在液晶交联网络中加入红外光热染料后，通过激光的定向扫射，驱动器可以像毛毛虫一样沿着激光移动的方向爬行。而通过光重构后，在同样的激光扫射条件下，该驱动器则朝相反方向蠕动。

二维平面液晶驱动器a）在逐步光重构过程中实现的复杂可逆的自折叠3D折纸结构：从b）“飞机”， c）“牛” 到d）“青蛙”状结构

这种光重构液晶驱动器不仅能有效的解决材料重复利用的问题，还能为实际应用中重新编辑软体机器人的驱动模式以实现其对环境的高适应性提供新的设计思路。

同一液晶驱动器通过逐步光重构实现不同的行走行为：a）光重构过程，b）毛毛虫式爬行（方向与激光扫射方向一致），c）蠕动（方向与激光扫射方向相反）

这一成果以“Selective Decrosslinking in Liquid Crystal Polymer Actuators for Optical Reconfiguration of Origami and Light‐Fueled Locomotion”为题发表在国际顶级期刊《德国应用化学》（Angew.Chem.Int.Ed. DOI: 10.1002/anie.201900470）上，并当选为热点论文。同时被德国化学会chemistry views热点报道。该论文第一作者及共同一作为舍布鲁克大学博士生江智超和肖尧予，通信作者为舍布鲁克大学赵越教授。该工作获得加拿大自然科学基金，魁北克省政府奖学金以及中国留学生基金委（CSC）的支持。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201900470