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常州大學(xué)楊榮副教授與合作者 Angew:基于有序-有序液晶相變的動態(tài)形變液晶聚合物
2024-01-17  來源:高分子科技

  液晶彈性體/交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在外界環(huán)境刺激下表現(xiàn)出可逆伸縮形變,可潛在用于人工肌肉,傳感器,致動器,柔性機(jī)器人等領(lǐng)域,F(xiàn)有液晶致動器通常需要先構(gòu)筑按需排列并交聯(lián)固定的液晶基元,然后誘導(dǎo)液晶從有序液晶態(tài)到無序各向同性態(tài)相變,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜可逆形變或動作。


  最近,常州大學(xué)楊榮副教授及其合作者報(bào)道了一種基于有序-有序液晶相變機(jī)制的液晶聚合物致動器。這種液晶聚合物致動器合成、制備方法簡單。以聯(lián)苯二氧己醇為液晶基元,與苯基丁二酸直接熔融縮聚而成。所合成的液晶聚合物為近晶型液晶高分子,其分子鏈有序折疊。側(cè)基苯環(huán)錯位平行有序堆積結(jié)構(gòu)帶來的強(qiáng)烈π-π相互作用,可作為物理交聯(lián)點(diǎn)原位固定取向。因此,將其在液晶態(tài)下拉伸取向,無需后續(xù)交聯(lián)固定即可制備得到具有可逆伸縮形變的液晶致動器。所制備的單疇液晶致動器在升溫過程中(40-60℃),發(fā)生近晶A-近晶C相變,近晶相層間距減小,液晶薄膜收縮;降溫過程中(60-40℃),發(fā)生近晶C-近晶A相變,近晶相層間距增大,液晶薄膜伸長,從而實(shí)現(xiàn)在有序-有序液晶相變誘導(dǎo)下的可逆伸縮形變。由于,π-π堆積具有動態(tài)性,因此單疇取向的液晶薄膜可進(jìn)一步塑形或者將單疇取向液晶薄膜與聚酰亞胺膜復(fù)合可制備得到扭曲,折疊,螺旋等復(fù)雜可逆雙向形變的液晶致動器。 


圖1液晶致動器的化學(xué)結(jié)構(gòu),制備方法以及有序-有序液晶相變機(jī)制 


圖2. 液晶致動器的復(fù)雜形變

  研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該液晶聚合物在室溫(25-40℃)退火,液晶聚合物可從近晶A相再次轉(zhuǎn)變?yōu)榻?/span>C相,在隨后的升溫過程中,液晶聚合物會先后經(jīng)歷近晶C(退火)-近晶A-近晶C的相變;诖,這種液晶聚合物可以表現(xiàn)出現(xiàn)有液晶致動器難以實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特的可逆動態(tài)形狀變化,即在冷卻時表現(xiàn)出先伸長,等待一段時間后自發(fā)收縮,再次回到初始形狀。其中伸長是由近晶C-近晶A相轉(zhuǎn)變誘導(dǎo),而收縮則是由近晶A相經(jīng)室溫退火后重新進(jìn)入近晶C相推動。在升溫時,液晶致動器同樣表現(xiàn)出先伸長再縮短的形變。通過改變退火溫度和時間還可以控制動態(tài)形變響應(yīng)的速率和幅度。


  利用這一獨(dú)特的動態(tài)形變,所制備的液晶致動器抓手可以在單一刺激(降溫或升溫)下實(shí)現(xiàn)抓取和放開兩個動作。還可以模擬自然界植物的特殊習(xí)性,如曇花夜間(低溫)開花后迅速閉合以及濕生扁蕾只在上午盛開,清晨和中午(高溫或低溫)均閉合的特性。 


圖3. 具有動態(tài)形變的液晶致動器的潛在應(yīng)用


  這一研究將為具有復(fù)雜變形的液晶致動器/傳感器的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供新的理論思路和方法。


  相關(guān)工作以“Dynamic Shape Change of Liquid Crystal Polymer Based on An Order-Order Phase Transition”為題發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. (DOI:10.1002/anie.202314859)上,文章第一作者/通訊作者為常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的楊榮副教授,共同通訊作者為四川大學(xué)陳力教授和加拿大舍布魯克大學(xué)趙越教授。


  全文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202314859

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