CCS Chemistry | 温度驱动的3D大尺寸蜂窝状/虹膜状液晶弹性体

生物界中复杂精巧的结构和动态变化的功能为研究人员提供了许多灵感。近年来，智能聚合物因为其具备感知环境变化并呈现出可检测的响应的性能，引起了科学界的极大兴趣。最早由Pierre-Gilles de Gennes在1975年提出的液晶弹性体就是这样一种智能聚合物材料。取向后的液晶弹性体可以在外部刺激（例如温度，光，pH变化）下表现出特异的可逆各向异性形变。这种优异的性能使其成功地被应用于多种仿生材料，例如仿生软机器人，仿生自清洁表面，可调节虹膜，仿生花，等等。

然而，由于生物系统的复杂性，使得利用LCE模仿其结构或动态功能变化时面临挑战，尤其是制备三维（3D）大尺寸复杂结构时，难以对该结构内的各个部分实现精准可控的分子取向。在这篇文章中，研究人员结合了磁场取向方法和软模版复制技术，实现了复杂3D大尺寸LCE的简单制备。该方法基于磁场的空间取向和软模版的形状多样化和定制性，成功设计制作了温敏的大尺寸蜂窝状和虹膜状LCE。其中蜂窝状LCE的制备过程如图1所示。

图1. 蜂窝状LCE的制备过程及所用分子的结构

得到的大尺寸蜂窝状LCE中，液晶基元以及高分子链均总体上沿蜂窝壁高度方向取向。在热刺激下，由于液晶基元取向度随温度的增高而降低，LCE沿蜂窝壁高度方向产生收缩；由于LCE体积保持不变，结果LCE蜂窝六边形的边长增大、孔径扩展。蜂窝壁高度的收缩和六边形孔径的扩展，在LCE近晶相—各向同性相的相变时，达到最大程度。这种随温度变化的孔径变化，可以用来实现温控的不同尺寸球形颗粒的分离（如图2 所示）。

 图2. 蜂窝状LCE在不同温度下的球粒筛选过程

值得一提的是，该方法可以通过变换软模版模型来定制不同3D形状的刺激响应性LCE驱动器。例如，图3显示了类似虹膜形状的LCE驱动器，其内径可以通过温度变化来连续地、可逆地调节。这类似于动物眼睛的虹膜根据外来光线的强弱收缩或伸张，以调控进光量。

图3. 虹膜形状的LCE驱动器内径随温度变化的可控调节

综上所述，该研究提供了一种虽然简单、却能制备复杂LCE结构的方法，这种方法将有利于各种形状的LCE软机器人的制造，并扩大其未来的应用。此项研究得到了法国国家科研署和中国国家留学基金委的资助。该工作以Communication的形式发表在 CCS Chemistry，已在官网“Just published”栏目上线，文章的第一作者是倪彬博士。