康涅狄格大学王学举教授/雪城大学张腾教授 Matter: 通过机械训练和局部光聚合对液晶弹性体变形的控制

2022-10-21 来源：高分子科技

近年来，聚合物液晶弹性体 LCEs因其独特的特性（包括软弹性和大的、可逆的形状变化）受到广泛关注，在人工肌肉、软机器人和可重构结构等方面具有广阔的应用前景。在外部刺激下（如热和光），LCEs的宏观形状变化依赖于液晶分子（LCs, mesogens）的可逆向列-各向同性（nematic–isotropic）状态转变，而且变形与液晶分子的对齐密切相关。尽管对其进行了大量的研究，但利用LCEs的分子-材料-结构相互作用来设计局部控制的形状变形结构仍然是一个挑战。

近期，美国康涅狄格大学王学举教授课题组与雪城大学张腾教授合作报告了一种简单和通用的策略，通过局部控制弹性体中的液晶分子的对齐和交联密度来调整三维可重构LCE结构的刚度和变形行为。如图1所示，空间对齐的LCE结构的选择性光聚合产生了具有不同刚度的良好控制的轻度交联和高度交联域，对液晶分子进行选择性永久编程，从而实现了各种以前无法达到的不同刚度-非均质几何形状。通过综合实验和有限元分析在不同变形的LCE结构中证明了这一点（图2）。此外，编程的非光聚合区域允许多次重新编程，如按次序形状变形LCE条带（图3）和“面” （图，4）。这种非均质变形LCE结构在人造肌肉、软机器人等领域具有广泛的应用前景。该工作以“Morphing of stiffness-heterogeneous liquid crystal elastomers via mechanical training and locally controlled photopolymerization”为题发表在《Matter》上。文章第一作者是康涅狄格大学在读博士生李宜。

图1. 通过局部光聚合和机械训练的非均质刚度变形LCE结构。（A）具有非均质刚度的三维LCE结构的制作和变形方案示意图，以及相关的微观机理。（B）轻度交联和高度交联LCEs的应力-应变曲线。（C）局部光聚合和机械训练后三维LCE带状结构形状变形行为的FEA模拟和实验结果。比例尺，2毫米。

图2. 局部编程和机械训练的三维LCE带状结构的实验结果和FEA预测集合，其中屈曲结构的非均质刚度产生了不同变形程度的对称和不对称三维形状。（A）局部光聚合面积不断增加的LCE带状结构。（B）具有两个对称局部光聚合编程区域的LCE带状结构。（C）有三个局部光聚合编程区域的LCE带状结构。比例尺，2毫米。紫色区域暴露在紫外线下，并且高度交联。

图3. 按次序对LCE结构进行局部编程。（A）使用方形模具对LCE进行按次序编程的示意图。（B）将条带状LCE折叠在方形模具上，分别对第1、2和3个角进行紫外线曝光，从而按次序地进行局部编程。每一步编程完成后，在热驱动下都可以实现带结构的可逆三维-二维重构。比例尺，2毫米。

图4. 将LCE膜连续编程成显示不同面部特征的“脸”形状。（A）通过模具塑形和光聚合对LCE膜进行编程，得到一个“脸”形。在热驱动下都可以实现膜的可逆的三维-二维重构。（B）通过对LCE膜进行模具塑形和局部光聚合，按次序编程“鼻子”、“嘴”和“眼睛”，从而展示不同的面部特征。在每一个编程步骤完成后，在热驱动下可实现膜的可逆的3D-2D重构。比例尺，5毫米。

该工作是团队近期关于可重构LCE结构的编程及应用的文章之一。在过去的两年中，该团队还报道了一种通过机械屈曲对液晶分子（LCs, mesogens）进行空间编程，创建了现有技术无法实现的可重构的、独立的LCE和磁性LCE复合材料的三维结构（AFM，DOI:https://doi.org/10.1002/adfm.202100338）。在这些结构的的基础上，该团队向其加入了热致变色染料，得到的三维热致变色LCE结构可实现形状和颜色同时发生变化（Soft matter，DOI:https://doi.org/10.1039/D2SM00876A）。此外他们还将LCE 作为了一种三维结构的装配平台，从而实现了远程控制、可逆、按需组装和重构（ACS Appl. Mater. Interfaces，DOI: 10.1021/acsami.0c21371）。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.019

招聘信息：美国康涅狄格大学王学举课题组目前招收一名高分子/软材料力学方面的博士生，感兴趣的同学请发简历到xueju.wang@uconn.edu 更多信息请见课题组网站https://www.wangresearchlab.com/

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（责任编辑：xu）

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