加拿大舍佈魯克大學趙越教授與蘇州大學張偉教授《德國應化》:一種可以實現反常可逆形變的新型液晶彈性體

液晶彈性體(liquid crystal elastomer, LCE)由於結合瞭液晶的有序性與聚合物網絡彈性的特征,其在軟體機器人、人造肌肉和微流控等領域的潛在應用已經引起瞭人們的極大興趣。目前,交聯的單疇LCE器件在外界的刺激下(如光、熱、電、濕度等)可以執行可逆的形狀變化和復雜的做功運動。通常情況下,單軸取向的LCE樣條,在加熱到有序-無序液晶相轉變溫度以上,樣條會沿著長度方向收縮,在寬度方向伸長。相反,從無序冷卻到有序液晶相溫度,樣條會沿著長度方向伸長,而在寬度方向收縮。這種在長度和寬度方向上的宏觀可逆形狀變化是LCE材料在驅動器領域應用的重要條件之一。

近日,加拿大舍佈魯克大學的趙越(Yue Zhao)教授研究團隊與蘇州大學張偉教授團隊合作制備瞭一種新穎的具有反常(anomalous)可逆形狀變化的側鏈LCE材料,即在各向同性相轉變溫度以上,LCE膜在長度和寬度方向同時收縮;冷卻到液晶相溫度下,LCE樣條則沿兩個方向同時伸長。這種反常的可逆形狀變化來源於主鏈平行於拉伸方向取向和側鏈液晶基元垂直於拉伸方向取向對材料宏觀形狀貢獻間的微妙相互作用(subtle interplay)。該研究豐富瞭LCE材料在智能軟體機器人應用領域的形變模式。

加拿大舍佈魯克大學趙越教授與蘇州大學張偉教授《德國應化》:一種可以實現反常可逆形變的新型液晶彈性體
圖一:材料的制備與表征

研究團隊基於熱塑性彈性體三嵌段聚合物聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯,SBS),結合“點擊”化學反應和酯化反應合成瞭側鏈帶有偶氮苯液晶基元和交聯位點的側鏈液晶聚合物,並通過NMR、DSC和XRD詳細表征瞭聚合物的結構、熱性能(Tg接近室溫)和液晶相轉變行為,見圖一。所得的聚合物SBS-Azo由於其較高的分子量和微相分離結構,其具有良好的成膜性和拉伸性能(拉伸率可以達到600%)。通過溶液澆築、機械拉伸、光交聯和在各向同性溫度下熱松弛,最終得到的LCE樣條在冷卻到液晶相時,樣條會沿著長度和寬度方向同時伸長,而在升溫到各向同性相轉變溫度以上,則會沿著兩個方向同時收縮。通過變溫XRD和偏振紅外光譜表征,研究人員發現側鏈液晶基元在液晶相下會形成垂直於拉伸方向的取向排列,如圖二。

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圖二:反常可逆形狀變化和樣條的取向表征

變溫下,通過觀測樣條在寬度和長度方向上的變化比率(圖三),發現這種反常的形狀變化受起始拉伸應變的影響。這種反常可逆形狀變化在相轉變過程完成後,在長度和寬度上同時具有負的熱膨脹系數,且具有可逆性。

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圖三:反常可逆形狀變化的影響因素

相比於常規主鏈LCE材料,其液晶單元平行於拉伸方向取向,這種側鏈LCE材料在機械拉伸下誘導側鏈液晶單元垂直於拉伸方向取向,其表現出反常的可逆形狀變化。例如“十字架”和 “圓”形,在變溫下表現出同時伸長或收縮的可逆形變,如圖四。

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圖四:反常側鏈LCE與常規主鏈LCE的形狀變化對比

研究人員進一步探討瞭這種反常可逆形變的作用機制,即主鏈平行於拉伸方向的取向與側鏈液晶單元垂直於拉伸方向的取向對宏觀形變貢獻間的微妙相互作用,決定瞭其沿著長度和寬度方向同時伸長和收縮的形變行為,如圖五。

加拿大舍佈魯克大學趙越教授與蘇州大學張偉教授《德國應化》:一種可以實現反常可逆形變的新型液晶彈性體
圖五:作用機理

綜上,研究團隊設計合成瞭一種新穎的側鏈LCE材料,這種取向的LCE樣條在液晶有序-無序相轉變驅動下顯示出反常的可逆形狀變化,這為設計特殊形變模式的軟體機器人和驅動器領域提供瞭更多選擇。

該工作近期以題目為“A Novel Side‐Chain Liquid Crystal Elastomer Exhibiting Anomalous Reversible Shape Change”發表在《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed. DOI: org/10.1002/anie.202003904 )。加拿大舍佈魯克大學趙越教授和蘇州大學張偉教授為共同通訊作者,聯合培養博士生殷露為第一作者。該研究得到瞭加拿大自然科學與工程研究基金(NSERC),中國留學基金委(CSC)和中國國傢自然科學基金(21971180)等資助。

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