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巴黎高科化學(xué)學(xué)院李敏慧教授與合作者 Small: 電刺激雙功能液晶彈性體執(zhí)行器
2023-12-03  來源：高分子科技

  刺激響應(yīng)型智能材料因其在外部刺激下發(fā)生特定的幾何形變或尺寸變化而引起了科研人員的極大興趣。作為其中重要的一種，取向的液晶彈性體可以在各種外部刺激（例如溫度，光，電等）下，因?yàn)橐壕Ц叻肿渔湹臉?gòu)象的變化而表現(xiàn)出可逆的各向異性形變，比如像肌肉一樣收縮和伸張。溫度和光是LCE中最為普遍的刺激手段，但是它們不如電刺激實(shí)用和方便。遺憾的是，電刺激的LCE比較罕見，因此是迫切需要的。另一方面，導(dǎo)電高分子材料是一種電刺激智能材料，在給予其一定的驅(qū)動電壓時會發(fā)生彎曲形變（執(zhí)行器），而在給予一定的機(jī)械刺激時會產(chǎn)生電信號（傳感器）。典型的離子導(dǎo)電高分子智能器件（i-EAD）為三層結(jié)構(gòu)，包括中間一層離子導(dǎo)電膜和作為電極的上下兩層導(dǎo)電聚合物（ECP）組成。目前大多數(shù)使用的ECP為摻雜聚苯乙烯磺酸鹽的聚（3,4-乙撐二氧噻吩）（PEDOT：PSS）。在一定電壓和頻率的刺激下，ECP可以在電解質(zhì)存在下被氧化或還原，為了確保ECP的整體電中性，在ECP內(nèi)發(fā)生的離子的進(jìn)出會導(dǎo)致ECP層收縮或膨脹實(shí)現(xiàn)彎曲變形。這項(xiàng)工作的要點(diǎn)在于，把液晶彈性體和導(dǎo)電高分子智能器件結(jié)合起來，制備了電刺激的即可收縮/伸張又可彎曲的雙功能液晶彈性體執(zhí)行器。



  基于以上背景，法國巴黎文理大學(xué)巴黎高科化學(xué)學(xué)院李敏慧教授/巴黎塞爾吉大學(xué)Cédric Plesse教授通過對液晶彈性體（LCE）和離子導(dǎo)電聚合物器件（i-EAD）的緊密結(jié)合制備了具有三層結(jié)構(gòu)的雙功能電刺激響應(yīng)液晶彈性體執(zhí)行器（eLCE，見圖1）。通過施加不同頻率和電壓的交變電流，這種雙功能液晶制動器可以實(shí)現(xiàn)彎曲形變或線性收縮形變。在 0.1 Hz 下施加 ±2 V 的電壓時，氧化還原和相關(guān)的離子的運(yùn)動可為其提供 0.80% 的彎曲形變差（strain difference）。在10 Hz 下施加 ±6 V 的電壓時，離子運(yùn)動引起的焦耳熱使得eLCE產(chǎn)生類似于肌肉的線性收縮，其收縮率為20%；當(dāng)施加負(fù)載時，該eLCE執(zhí)行器可以提起其自身270倍質(zhì)量的重物，同時提供5.38 kJ·m-3 的做功能力（work capacity）。這樣將兩種智能高分子材料（LCE 和 i-EAD）結(jié)合在單個執(zhí)行器中的方法有望用于制備具有多樣性和多自由度的智能材料，在軟體機(jī)器人、電子設(shè)備和傳感器的開發(fā)和應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。 


圖1. 電刺激雙功能液晶彈性體執(zhí)行器—三層結(jié)構(gòu) eLCE示意圖及應(yīng)用展示：黃色中心層代表離子導(dǎo)電 LCE 薄膜（n表示向列相液晶排列方向），兩個黑色層代表基于 PEDOT:PSS電極。三層eLCE可執(zhí)行彎曲變形（±2V，0.1Hz，彎曲形變差：0.80％）和線性收縮/伸長變形（±6V，10Hz，收縮率：20％）。


圖2. 在±2 V，0.1 Hz下，雙功能三層結(jié)構(gòu) eLCE 薄膜的彎曲形變。當(dāng)施加 ±2 V 頻率為0.1 Hz 的電壓時，氧化還原和相關(guān)的離子的運(yùn)動可為其提供 0.80% 的彎曲形變差。當(dāng)正電勢施加在頂部電極（陽極）時，電極中的PEDOT被氧化成PEDOTx+。PSS 充當(dāng)離子選擇層，它僅允許陽離子在 PEDOT:PSS 電極內(nèi)運(yùn)動。為了保持電中性，陽離子將從氧化電極中排出，導(dǎo)致頂部電極收縮。在底部電極（陰極）上，出現(xiàn)相反現(xiàn)象；電極中的PEDOTy+被還原為PEDOT。為了保持電中性，陽離子流入陰極，導(dǎo)致其膨脹。頂部收縮和底部膨脹最終導(dǎo)致執(zhí)行器向上側(cè)彎曲變形。以此類推，當(dāng)負(fù)電勢施加在頂部電極（現(xiàn)在的陰極）時，執(zhí)行器則朝反方向向下側(cè)彎曲變形。在此頻率電壓的刺激下，執(zhí)行器產(chǎn)生0.80%的彎曲形變差。


圖3. 在±6 V，10 Hz下，雙功能三層結(jié)構(gòu) eLCE 薄膜的線性收縮/伸長形變。當(dāng)施加10 Hz，±6 V 的電壓時，離子運(yùn)動產(chǎn)生的焦耳熱使得該執(zhí)行器的液晶彈性體（LCE）層發(fā)生向列相到各向同性相的相轉(zhuǎn)變，從而在取向方向產(chǎn)生類似于肌肉的線性收縮，其收縮率為20%。當(dāng)施加負(fù)載時，該eLCE執(zhí)行器可以提起其自身270倍質(zhì)量的重物，提供5.38 kJ·m-3 的做工能力。


  這種由向列相取向的LCE離子導(dǎo)電膜和兩個導(dǎo)電聚合物電極制成的雙功能三層結(jié)構(gòu)eLCE 執(zhí)行器，首次實(shí)現(xiàn)了在不同頻率和電壓刺激下選擇性地執(zhí)行彎曲變形或線性收縮變形。這種多功能 eLCE 執(zhí)行器可以用于開拓具有多個仿生自由度的新型智能材料，例如章魚觸手，這是軟體機(jī)器人長期以來所期望的。


  這項(xiàng)工作以“Electroactive Bi-Functional Liquid Crystal Elastomer Actuators”為題發(fā)表在《Small》（DOI: 10.1002/smll.202307565）期刊上。法國巴黎文理大學(xué)博士生劉高宇和博士生鄧亞奎為共同第一作者；法國巴黎文理大學(xué)李敏慧教授和巴黎塞爾吉大學(xué)的Cédric Plesse教授為共同通訊作者。該工作受到法國國家科研署（French National Research Agency. Grant Number: ANR-22-CE06-0023）和中國國家留學(xué)基金委的資助與支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202307565

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