舍布鲁克大学赵越教授《自然通讯》：具有形变反转能力的异步化液晶驱动器

原创高分子科学前沿高分子科学前沿

液晶高分子网络（LCN）是一类同时具有各向异性和橡胶熵弹性的智能高分子。这类材料可在外界刺激下发生快速形变，从而在软体机器人，人造肌肉，微流控等领域有着广泛的应用前景。目前，传统的液晶驱动器一般通过光或热诱导的液晶基元有序-无序相变来实现可逆形变。但是形变过程往往只包含两种形状并只有一个形变方向。例如图1a，环状的液晶驱动器（形状一，有序态）在加热的过程中形变成条状（形状二，无序态）。在最近发表在《自然通讯》的一篇论文中，加拿大舍布鲁克大学赵越课题组报道了一种全新的驱动器。该驱动器能在一次刺激循环实现三种形状的可逆形变。如图1b所示，例如该类液晶驱动器在可加热过程中从环状（形状1）形变成直条状（形状2）再反转成不同直径的环状（形状3），从而在一个刺激周期中实现两次形变并有两种形变方向。这种形变反转的能力是的通过液晶驱动器不对称交联和/或不对称拉伸，使其在不同温度下开始变形并产生不同的可逆应变引起的。

图1 （a）在加热（或冷却）过程中只有一个形变方向的传统液晶驱动器。(b) 具有形状反转能力的异步化液晶驱动器。（c）液晶驱动器的化学结构式。（d）不同交联密度的液晶驱动器的DSC曲线（e）不同交联密度的液晶材料的热驱动行为。

如图1c所示用联苯做为液晶基元并用肉桂基团作为光交联剂的液晶驱动器在不同的交联度（交联度由光照时间控制）下，相转变行为明显不同。通过增加交联度，材料的相变温度开始逐渐变宽（图1d）。同时，通过增加交联度，材料的驱动温度变宽，同时形变率也会随之降低（图1e）。通过这一机理，作者将材料均匀拉伸至400%使液晶基元单轴排列后一面轻度交联（光交联20min）一面重度交联（光交联120min）。驱动器从75℃冷却的过程中，重度交联的一面首先开始伸长，使驱动器整体向一侧弯曲。随着温度的继续降低，轻度交联的一面开始伸长，且伸长率高于重度交联的一面，这使得材料的形变反转从而向另外一面弯曲。在整个冷却的过程中驱动器发生了两次形变（图2）。由课题组以前的工作可知(ACS Macro Lett.2018, 7, 353)，增加初始拉伸率也会使液晶材料有一个宽相变峰。因此作者让材料不对称交联的同时两面不均匀拉伸，得到的液晶驱动器会有更强的形变反转，可在一次降温中实现让材料的弯曲角从-360^o至360^o再至-360^o的形变反转（图3）。

图2 两面具有不同交联密度的异步化液晶驱动器实现的形变反转

图3两面具有不同交联密度的同时具有不同拉伸率的异步化液晶驱动器实现的形变反转。

进一步加入聚多巴胺做为光热剂，异步化驱动器可被加工成光驱动液晶机器人。传统的液晶机器人通过一次的光源开关循环使材料通过弯曲-未弯曲的形变来行走一步。而论文中用具有形变反转能力的液晶制备的机器人可在光源打开的过程中实现未弯曲-弯曲-未弯曲的形变。在光源关闭后再次实现未弯曲-弯曲-未弯曲的形变。因此这类机器人在一次光源开关的循环中可行走四步（图4）。更有趣的是，由于机器人的形变被分成了多个阶段，所以在不同的形变阶段控制光源的开关可以使得机器人有不同的行走方式。如图5，作者通过控制光源的开关频率使得同一个机器人有3种行走方式。

图4 光驱动形变反转液晶机器人。该机器人能在一次光源开关循环下行走四步

图5 形变反转液晶机器人在不同光源开关频率下的不同行走方式

该成果以“Desynchronized liquid crystalline network actuators with deformation reversal capability” 为题发表在《自然通讯》（Nature Communications, 2021, 12, 624）上。该论文通讯作者为舍布鲁克大学赵越教授。第一作者为舍布鲁克大学博士生肖尧予。博士生江智超和侯军波也参与了此课题。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

投稿模板：

单篇报道：上海交通大学周涵、范同祥《PNAS》：薄膜一贴，从此降温不用电！

系统报道：加拿大最年轻的两院院士陈忠伟团队能源领域成果集锦

历史进展：经典回顾| 聚集诱导发光的开山之作：一篇《CC》，开启中国人引领世界新领域！

继续滑动看下一个