ACS AMI | 基于垂直取向与梯度交联的可编程三维形变液晶弹性体

英文原题：Programmable 3D Shape-Change Liquid Crystalline Elastomer Based on a Vertically Aligned Monodomain with Cross-link Gradient

通讯作者：谢鹤楼，湘潭大学；陈尔强，北京大学

作者：Jun Hu, Ze-Yang Kuang, Lei Tao, Yi-Fei Huang, Qing Wang, He-Lou Xie,* Jiu-Ren Yin, and Er-Qiang Chen*

液晶弹性体在热、光、电、磁等外界刺激下能产生宏观的形变，在软体机器人、人工肌肉、微型操控器、可穿戴器件等方面具有重要的应用前景。液晶弹性体的形变依赖于液晶分子的取向，通常平行取向能获得较大形变。而垂直取向液晶弹性体的形变沿着厚度方向，导致形变量非常小，因此，通过垂直取向获得三维形状变化的液晶弹性体是一项具有挑战性的研究。

针对该问题，湘潭大学谢鹤楼（点击查看介绍）课题组和北京大学陈尔强（点击查看介绍）课题组合作，结合垂直取向和梯度交联构筑一种可编程三维形变液晶弹性体。该工作利用谢鹤楼课题组前期发展的聚合物刷取向的方法 (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 27269-27277；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 37026-37034) 对液晶分子进行垂直取向，并利用紫外光原位聚合构筑梯度交联的垂直取向液晶弹性体，所得薄膜在升降温过程中发生了可逆、宏观的弯曲形变 (如图1a和1b所示)。研究发现，该形变是由薄膜上下表面的弹性模量的不同所致，同时随着紫外辐射交联时间的延长，薄膜上下表面的弹性模量差异逐渐缩小，从而其形变也逐渐变小 (如图1c和1d所示)。研究还发现所得液晶弹性体薄膜都能沿着长轴方向发生弯曲，且随着宽度的减小，其弯曲效果越好 (如图2a所示)。基于该结果，该薄膜可用于模拟花的盛开与闭合 (如图2b所示)。进一步，研究者通过控制紫外光辐射方向以及区域来构筑弯曲、折叠、波浪形等复杂三维形变的液晶弹性体 (如图3a-d所示)。进一步通过掺杂具有光热效应的碳纳米管构筑了具有光响应型可逆形变的液晶弹性体，该薄膜能够在近红外光照射下实现波浪形变，从而得到了一类快速爬行的微步行器软驱动器，其爬行速度达到0.28 mm/s (如图3e-f所示)。

图1. (a)垂直取向液晶弹性体弯曲示意图；(b)薄膜在变温时的可逆弯曲形变；(c)薄膜两侧的弹性模量与聚合时间关系图；(d)不同聚合时间薄膜的弯曲度变化。

图2. (a)薄膜宽度减小时的弯曲形变；(b)模拟花的盛开与闭合。

图3. (a)和(b)分别为折叠形与波浪形液晶弹性体制备示意图；(c)和(d)分别为薄膜在变温时的可逆折叠形变与波浪形变；(e)微步行器在红外光照射下的爬行；(f) 微步行器爬行示意图。

研究成果发表于近期的ACS Applied Materials Interfaces 期刊上，湘潭大学硕士生胡俊为第一作者，湘潭大学谢鹤楼和北京大学陈尔强为共同通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金的资助。

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Programmable 3D Shape-Change Liquid Crystalline Elastomer Based on a Vertically Aligned Monodomain with Cross-link Gradient

Jun Hu, Ze-Yang Kuang, Lei Tao, Yi-Fei Huang, Qing Wang, He-Lou Xie,* Jiu-Ren Yin, Er-Qiang Chen*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b17393

Publication Date: December 2, 2019

导师介绍

谢鹤楼

https://www.x-mol.com/university/faculty/14270

陈尔强

https://www.x-mol.com/university/faculty/8655

（本稿件来自ACS Publications）