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  柔性驅(qū)動器可將外部能量（光、熱、電等）直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械變形，在柔性機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、人造肌肉、細(xì)胞支架等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。熱固性材料因具有高尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)于構(gòu)筑柔性驅(qū)動器。但熱固性材料在固化成型時形成不溶不熔的交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)，雖然可提高材料的穩(wěn)定性，但很大程度地限制了柔性驅(qū)動器的復(fù)雜形狀，也使其在成型之后不能再次加工和塑形。近年來，含動態(tài)共價鍵的共價交聯(lián)高分子為柔性驅(qū)動器構(gòu)建3D形狀、成型后的再次加工和塑形提供了一個很好的解決思路。但是這些動態(tài)共價交聯(lián)高分子都存在各自的缺點(diǎn)，例如缺乏高溫穩(wěn)定性。更為理想的思路是采用傳統(tǒng)的熱固性高分子構(gòu)筑可再塑形的柔性驅(qū)動器。

  近日，清華大學(xué)化學(xué)系吉巖副教授，利用時溫等效原理，提出了一種采用傳統(tǒng)熱固性液晶環(huán)氧樹脂，構(gòu)建可再塑形的3D柔性驅(qū)動器的方法（圖1）。

圖1 （a）液晶環(huán)氧樹脂的制備；（b）螺旋驅(qū)動在液晶相（25℃）和各向同性相（120℃）的可逆變化；（c）凸起驅(qū)動在液晶相（25℃）和各向同性相（120℃）的可逆變化。

  過去人們認(rèn)為傳統(tǒng)的熱固性環(huán)氧樹脂無法再加工和變形，只有加入酯交換催化劑，使其成為類玻璃高分子（vitrimer），才可能進(jìn)行再加工。吉巖課題組之前偶然發(fā)現(xiàn)即使不含催化劑，高溫下的酯交換反應(yīng)也可使傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂材料的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變（Nat. Commun., 2019, 10, 3165）。也就是說，傳統(tǒng)的熱固性材料也存在用于構(gòu)建柔性驅(qū)動器的可能，只是過去從膨脹實(shí)驗(yàn)無法看出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的信號峰，從應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)看出其在高溫下松弛非常緩慢，因此其動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)一直被忽略。但根據(jù)時溫等效原理，如果發(fā)生足夠長時間的酯交換反應(yīng)，其拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化非常明顯，足以用來使傳統(tǒng)液晶環(huán)氧樹脂材料在成型之后再次加工成3D柔性驅(qū)動器。

  根據(jù)上述時溫等效原理，利用長時間的酯交換反應(yīng)，傳統(tǒng)的液晶環(huán)氧樹脂材料在成型之后能被加工成可反復(fù)塑形、可焊接、高溫穩(wěn)定的3D柔性驅(qū)動器。該驅(qū)動器結(jié)合了液晶類玻璃高分子的可塑性和傳統(tǒng)熱固性材料的穩(wěn)定性（圖2a），還具有一些液晶類玻璃高分子不具備的優(yōu)點(diǎn)。例如，由該液晶環(huán)氧樹脂制備的3D柔性驅(qū)動器可通過熱逐步地、局部地編程（reprogramming）成復(fù)雜形狀（圖2b和2c），還可將相同或不同的組件焊接成更復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)（圖2d），這在過去液晶類玻璃高分子和傳統(tǒng)熱固性材料都無法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)摻入光響應(yīng)物質(zhì)（如具有光熱效應(yīng)的碳納米管）時，還可通過光照將環(huán)氧樹脂復(fù)合材料再次加工成3D柔性驅(qū)動器、并用光驅(qū)動其可逆的形狀變化（圖2e）。

圖2 （a）柔性驅(qū)動器在1000次可逆驅(qū)動后仍保持很好的穩(wěn)定性；（b）液晶環(huán)氧樹脂逐步編程成3D柔性驅(qū)動器；（c）局部編程使“花瓣形”柔性驅(qū)動器的不同部位的可逆驅(qū)動程度不同；（d）焊接取向的液晶環(huán)氧樹脂成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；（e）液晶環(huán)氧樹脂復(fù)合材料驅(qū)動器用光驅(qū)動其可逆的形狀變化。

  除了傳統(tǒng)的熱固性液晶環(huán)氧樹脂外，這一方法也適用于其他具有可逆和平衡反應(yīng)的傳統(tǒng)熱固性材料，如聚氨酯（PU）�；诖�，這種方法將極大地促進(jìn)傳統(tǒng)熱固性材料和3D柔性驅(qū)動器在工業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用。

  相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201911612。文章第一作者為清華大學(xué)化學(xué)系楊洋博士，通訊作者為清華大學(xué)化學(xué)系吉巖副教授。劍橋大學(xué)Eugene M. Terentjev教授為該研究提供了很好的理論和寫作支持；清華大學(xué)化學(xué)系危巖教授、張宇白博士生、陳巧梅博士、趙原博士參與了該研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金的資助。

  論文鏈接：Reprocessable thermoset soft actuators. Yang Yang, Eugene M. Terentjev, Yubai Zhang, Qiaomei Chen, Yuan Zhao, Yen Wei, and Yan Ji. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201911612.