基于液晶弹性体的软体驱动器具有驱动性能优异、质量轻和可无线操控等诸多优点,在医疗器械、智能纺织、机器人等应用领域具有广阔的应用前景。然而,液晶软体驱动器的制备工艺复杂,通常需要两步甚至多步操作才能完成,同时制备过程伴随着高温或紫外光的使用,且所得材料的形状和驱动模式无法根据应用需求进行灵活调整,因此限制了其实际应用。引入非共价键替代共价键作为网络的交联点是简化液晶弹性体制备工艺、得到具有定制化形状的驱动器的一种可行方法。然而,如何构建兼具优良驱动性能和加工性能的液晶弹性体仍是一个挑战。
图1. 基于氢键的超分子液晶弹性体的合成、拉伸诱导网络取向和固定
针对上述问题,上海交通大学的刘湍和林秋宁等人从分子结构设计出发构建了一种以氢键作为物理交联点的热塑性液晶弹性体(HB-TLCE),如图1所示,该结构中含有大量的氢键以维持网络稳定性,而短支链可以用于避免物理结晶。在拉伸或剪切力的作用下,网络中的液晶结构单元发生取向,同时,氢键发生动态重排后形成了一个更稳定的交联网络,从而仅用一步就完成了液晶网络的取向及其固定。基于该材料,丝线或2D/3D器件能够通过在室温下机械拉伸或在中高温下熔融挤出(< 100 °C)的一步法快速制备成型(e.g., < 1 min),并在温度调控下展现出可逆且稳定的驱动行为,同时氢键的动态性又赋予了材料可重复加工和可重复编程的特性。与现有研究工作相比,本工作极大的简化了液晶软体驱动器的制备工艺,成功构建了兼具优良驱动性能和加工性能的热塑性液晶弹性体。
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熔融纺丝和注塑成型是两种常见的高分子工业化生产方式,本工作进一步验证了液晶软体驱动器能够通过这两种方法制备。如图3所示,利用熔融纺丝方式,本工作获得了连续的液晶纤维,HB-TLCE纤维可以穿入绣花针中进行刺绣或缝合。在25-60 °C的热循环下,通过液晶纤维缝合的两块布料被丝线的驱动力牵引,其图案能够在“To”“day”和“Today”之间可逆切换。以上结果表明,HB-TLCE纤维在智能织物方面具有很大的应用潜力。利用注塑成型方式,本工作能够在秒级时间内快速制备具有网格结构的驱动器,该网状结构的驱动器具有两个正交的取向方向,并在热循环下(25 °C -60 °C)展现出可逆的驱动行为(网格尺寸:16.5 × 17.5 mm2?14.5 × 15.5 mm2)。以上结果表明,规模化和定制化地生产液晶软体驱动器将成为可能。
注:诚邀博士后加入团队,有意者请将简历发至邮箱(tuan-liu@sjtu.edu.cn)。
论文信息: One‐Step Manufacturing of Supramolecular Liquid‐Crystal Elastomers by Stress‐Induced Alignment and Hydrogen Bond Exchange, Y Fan, T Liu*, Y Li, X Miao, B Chen, J Ding, Z Dong, O Rios, B Bao, Q Lin*, L Zhu, Angew Chem, e202308793
https://doi.org/10.1002/anie.202308793
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