巴黎高科化学学院李敏慧教授与合作者 Small: 电刺激双功能液晶弹性体执行器

2023-12-03 来源：高分子科技

刺激响应型智能材料因其在外部刺激下发生特定的几何形变或尺寸变化而引起了科研人员的极大兴趣。作为其中重要的一种，取向的液晶弹性体可以在各种外部刺激（例如温度，光，电等）下，因为液晶高分子链的构象的变化而表现出可逆的各向异性形变，比如像肌肉一样收缩和伸张。温度和光是LCE中最为普遍的刺激手段，但是它们不如电刺激实用和方便。遗憾的是，电刺激的LCE比较罕见，因此是迫切需要的。另一方面，导电高分子材料是一种电刺激智能材料，在给予其一定的驱动电压时会发生弯曲形变（执行器），而在给予一定的机械刺激时会产生电信号（传感器）。典型的离子导电高分子智能器件（i-EAD）为三层结构，包括中间一层离子导电膜和作为电极的上下两层导电聚合物（ECP）组成。目前大多数使用的ECP为掺杂聚苯乙烯磺酸盐的聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT：PSS）。在一定电压和频率的刺激下，ECP可以在电解质存在下被氧化或还原，为了确保ECP的整体电中性，在ECP内发生的离子的进出会导致ECP层收缩或膨胀实现弯曲变形。这项工作的要点在于，把液晶弹性体和导电高分子智能器件结合起来，制备了电刺激的即可收缩/伸张又可弯曲的双功能液晶弹性体执行器。

基于以上背景，法国巴黎文理大学巴黎高科化学学院李敏慧教授/巴黎塞尔吉大学Cédric Plesse教授通过对液晶弹性体（LCE）和离子导电聚合物器件（i-EAD）的紧密结合制备了具有三层结构的双功能电刺激响应液晶弹性体执行器（eLCE，见图1）。通过施加不同频率和电压的交变电流，这种双功能液晶制动器可以实现弯曲形变或线性收缩形变。在 0.1 Hz 下施加 ±2 V 的电压时，氧化还原和相关的离子的运动可为其提供 0.80% 的弯曲形变差（strain difference）。在10 Hz 下施加 ±6 V 的电压时，离子运动引起的焦耳热使得eLCE产生类似于肌肉的线性收缩，其收缩率为20%；当施加负载时，该eLCE执行器可以提起其自身270倍质量的重物，同时提供5.38 kJ·m^-3的做功能力（work capacity）。这样将两种智能高分子材料（LCE 和 i-EAD）结合在单个执行器中的方法有望用于制备具有多样性和多自由度的智能材料，在软体机器人、电子设备和传感器的开发和应用中发挥重要作用。

图1. 电刺激双功能液晶弹性体执行器—三层结构 eLCE示意图及应用展示：黄色中心层代表离子导电 LCE 薄膜（n表示向列相液晶排列方向），两个黑色层代表基于 PEDOT:PSS电极。三层eLCE可执行弯曲变形（±2V，0.1Hz，弯曲形变差：0.80％）和线性收缩/伸长变形（±6V，10Hz，收缩率：20％）。

图2. 在±2 V，0.1 Hz下，双功能三层结构 eLCE 薄膜的弯曲形变。当施加 ±2 V 频率为0.1 Hz 的电压时，氧化还原和相关的离子的运动可为其提供 0.80% 的弯曲形变差。当正电势施加在顶部电极（阳极）时，电极中的PEDOT被氧化成PEDOT^x+。PSS 充当离子选择层，它仅允许阳离子在 PEDOT:PSS 电极内运动。为了保持电中性，阳离子将从氧化电极中排出，导致顶部电极收缩。在底部电极（阴极）上，出现相反现象；电极中的PEDOT^y+被还原为PEDOT。为了保持电中性，阳离子流入阴极，导致其膨胀。顶部收缩和底部膨胀最终导致执行器向上侧弯曲变形。以此类推，当负电势施加在顶部电极（现在的阴极）时，执行器则朝反方向向下侧弯曲变形。在此频率电压的刺激下，执行器产生0.80%的弯曲形变差。

图3. 在±6 V，10 Hz下，双功能三层结构 eLCE 薄膜的线性收缩/伸长形变。当施加10 Hz，±6 V 的电压时，离子运动产生的焦耳热使得该执行器的液晶弹性体（LCE）层发生向列相到各向同性相的相转变，从而在取向方向产生类似于肌肉的线性收缩，其收缩率为20%。当施加负载时，该eLCE执行器可以提起其自身270倍质量的重物，提供5.38 kJ·m^-3的做工能力。

这种由向列相取向的LCE离子导电膜和两个导电聚合物电极制成的双功能三层结构eLCE 执行器，首次实现了在不同频率和电压刺激下选择性地执行弯曲变形或线性收缩变形。这种多功能 eLCE 执行器可以用于开拓具有多个仿生自由度的新型智能材料，例如章鱼触手，这是软体机器人长期以来所期望的。

这项工作以“Electroactive Bi-Functional Liquid Crystal Elastomer Actuators”为题发表在《Small》（DOI: 10.1002/smll.202307565）期刊上。法国巴黎文理大学博士生刘高宇和博士生邓亚奎为共同第一作者；法国巴黎文理大学李敏慧教授和巴黎塞尔吉大学的Cédric Plesse教授为共同通讯作者。该工作受到法国国家科研署（French National Research Agency. Grant Number: ANR-22-CE06-0023）和中国国家留学基金委的资助与支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202307565

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（责任编辑：xu）

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