加拿大舍布鲁克大学赵越教授与苏州大学张伟教授《德国应化》:一种可以实现反常可逆形变的新型液晶弹性体

液晶弹性体(liquid crystal elastomer, LCE)由于结合了液晶的有序性与聚合物网络弹性的特征,其在软体机器人、人造肌肉和微流控等领域的潜在应用已经引起了人们的极大兴趣。目前,交联的单畴LCE器件在外界的刺激下(如光、热、电、湿度等)可以执行可逆的形状变化和复杂的做功运动。通常情况下,单轴取向的LCE样条,在加热到有序-无序液晶相转变温度以上,样条会沿着长度方向收缩,在宽度方向伸长。相反,从无序冷却到有序液晶相温度,样条会沿着长度方向伸长,而在宽度方向收缩。这种在长度和宽度方向上的宏观可逆形状变化是LCE材料在驱动器领域应用的重要条件之一。

近日,加拿大舍布鲁克大学的赵越(Yue Zhao)教授研究团队与苏州大学张伟教授团队合作制备了一种新颖的具有反常(anomalous)可逆形状变化的侧链LCE材料,即在各向同性相转变温度以上,LCE膜在长度和宽度方向同时收缩;冷却到液晶相温度下,LCE样条则沿两个方向同时伸长。这种反常的可逆形状变化来源于主链平行于拉伸方向取向和侧链液晶基元垂直于拉伸方向取向对材料宏观形状贡献间的微妙相互作用(subtle interplay)。该研究丰富了LCE材料在智能软体机器人应用领域的形变模式。

加拿大舍布鲁克大学赵越教授与苏州大学张伟教授《德国应化》:一种可以实现反常可逆形变的新型液晶弹性体
图一:材料的制备与表征

 

研究团队基于热塑性弹性体三嵌段聚合物聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯,SBS),结合“点击”化学反应和酯化反应合成了侧链带有偶氮苯液晶基元和交联位点的侧链液晶聚合物,并通过NMR、DSC和XRD详细表征了聚合物的结构、热性能(Tg接近室温)和液晶相转变行为,见图一。所得的聚合物SBS-Azo由于其较高的分子量和微相分离结构,其具有良好的成膜性和拉伸性能(拉伸率可以达到600%)。通过溶液浇筑、机械拉伸、光交联和在各向同性温度下热松弛,最终得到的LCE样条在冷却到液晶相时,样条会沿着长度和宽度方向同时伸长,而在升温到各向同性相转变温度以上,则会沿着两个方向同时收缩。通过变温XRD和偏振红外光谱表征,研究人员发现侧链液晶基元在液晶相下会形成垂直于拉伸方向的取向排列,如图二。

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图二:反常可逆形状变化和样条的取向表征

 

变温下,通过观测样条在宽度和长度方向上的变化比率(图三),发现这种反常的形状变化受起始拉伸应变的影响。这种反常可逆形状变化在相转变过程完成后,在长度和宽度上同时具有负的热膨胀系数,且具有可逆性。

加拿大舍布鲁克大学赵越教授与苏州大学张伟教授《德国应化》:一种可以实现反常可逆形变的新型液晶弹性体
图三:反常可逆形状变化的影响因素

 

相比于常规主链LCE材料,其液晶单元平行于拉伸方向取向,这种侧链LCE材料在机械拉伸下诱导侧链液晶单元垂直于拉伸方向取向,其表现出反常的可逆形状变化。例如“十字架”和 “圆”形,在变温下表现出同时伸长或收缩的可逆形变,如图四。

加拿大舍布鲁克大学赵越教授与苏州大学张伟教授《德国应化》:一种可以实现反常可逆形变的新型液晶弹性体
图四:反常侧链LCE与常规主链LCE的形状变化对比

 

研究人员进一步探讨了这种反常可逆形变的作用机制,即主链平行于拉伸方向的取向与侧链液晶单元垂直于拉伸方向的取向对宏观形变贡献间的微妙相互作用,决定了其沿着长度和宽度方向同时伸长和收缩的形变行为,如图五。

加拿大舍布鲁克大学赵越教授与苏州大学张伟教授《德国应化》:一种可以实现反常可逆形变的新型液晶弹性体
图五:作用机理

 

综上,研究团队设计合成了一种新颖的侧链LCE材料,这种取向的LCE样条在液晶有序-无序相转变驱动下显示出反常的可逆形状变化,这为设计特殊形变模式的软体机器人和驱动器领域提供了更多选择。

该工作近期以题目为“A Novel Side‐Chain Liquid Crystal Elastomer Exhibiting Anomalous Reversible Shape Change”发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. DOI: org/10.1002/anie.202003904 )。加拿大舍布鲁克大学赵越教授和苏州大学张伟教授为共同通讯作者,联合培养博士生殷露为第一作者。该研究得到了加拿大自然科学与工程研究基金(NSERC),中国留学基金委(CSC)和中国国家自然科学基金(21971180)等资助。

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