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清華危巖教授/北大陳爾強教授/清華吉巖副教授《Adv. Mater.》：可自發(fā)長成驅動器的彈性體
2023-01-07  來源：高分子科技

  眾所周知，當彈性體被拉伸并固定兩端時，其長度將保持不變。無論這一過程是彈性形變還是塑性形變，當撤去外力后，彈性體不會超過變形時達到的長度（圖1）。另一方面，從彈性體到柔性驅動器的加工過程往往需要外界刺激或能量輸入。很少有合成材料能脫離這兩個范疇。


圖1. 典型的彈性形變和塑性形變以及自伸長過程


  近期，清華大學危巖教授課題組、北京大學陳爾強教授課題組和清華大學吉巖副教授課題組報道了一種能夠像自然界植物一樣“生長”的彈性體，并且最終成為能夠可逆形變的柔性驅動器。該彈性體被施加適當的預應變并固定兩端后，室溫放置，在無外界干擾下，會自發(fā)伸長至一個超過預應變的長度，形成顯著的拱起（圖1）。一旦“生長”開始，即使撤去外力，伸長的過程依然會持續(xù)進行。伸長后的彈性體在無外界干擾下最終會形成一個穩(wěn)定的柔性驅動器，并且可以重新編程可逆形變模式。值得注意的是，伸長及形成驅動器的過程無需任何額外的操作，也無需外界刺激或能量輸入。這現象有望促進對動態(tài)共價化學和液晶彈性體的進一步理解，以及在柔性機器人以外的領域促進仿生柔性驅動器的新設計和高性能應用。該工作以“Elastomers grow into actuators”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。文章的第一及共同第一作者分別是清華大學博士生梁歡和博士后仵雅禾。該研究得到國家自然科學基金委的支持。 


圖2. 彈性體的合成與自伸長過程做功


  該材料是一種液晶彈性體（LCE，圖2），交聯密度和預拉伸程度會影響伸長效果。伸長拱起的過程可以向外做功輸出能量（圖2）,例如用來在遠程無接觸下實現電路連接。生長后成為驅動器的LCE具有良好的單疇取向，并且形變循環(huán)1000次后，驅動率依然保持穩(wěn)定。 


圖3.異常相的表征


  作者們在其他LCE中沒有觀察到上述自伸長現象（圖3a）？勺陨扉L的LCE退火后的樣品呈白色樣品，只有在加熱下才表現出明顯的雙折射（圖3b、3d），而正常液晶在低溫下才表現出雙折射。伸長后，其雙折射仍然比正常的單疇LCE弱得多。廣角X射線散射(WAXS)表明這種異常相可能是該LCE的穩(wěn)定基態(tài)，且其液晶疇可能非常小。通過跟蹤自伸長過程，作者們推測機理如下：在新制備的樣品拉伸過程中產生了內應力并儲存了能量，隨著時間的推移，在存儲能量釋放的驅動下，液晶疇取向的內部能壘被慢慢克服，同時出現低雙折射的異常相態(tài)；將預拉伸的狀態(tài)保持數小時后，液晶疇的取向度增加，使得彈性體樣品的自然長度增加，產生自伸長現象。此外，當LCE開始伸長時，分子鏈形成的發(fā)夾結構可以“凍結”中間狀態(tài)并固定彈性體的形狀，因此撤去外力不影響繼續(xù)伸長。此時存儲的能量仍然存在，這是液晶疇持續(xù)取向和材料自伸長的主要驅動力。


  柔性驅動器的形成和重塑形可能與在此體系中通常被忽視的酯交換反應有關（圖4）。在合成過程中使用的二丙胺可作為酯交換的催化劑，并且根據“時間-溫度等效原理”，即使在較低的溫度下，只要時間足夠長，酯交換反應也會逐漸發(fā)生。獲得的驅動器可通過合理設計實現多種形變模式與多種功能（圖5），在仿生等領域有潛在應用。 


圖4.酯交換的證明


 圖5. 通過自伸長獲得的多種柔性驅動器


  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209853

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（責任編輯：xu）
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