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华东师范大学张利东教授课题组 Macromolecules:非交联光响应液晶聚合物薄膜驱动器 - 逆光致动
2023-09-15  来源:高分子科技

  光响应材料在催化、传感、药物传输和柔性机器人等方面具有良好的应用潜力。其中,含偶氮苯基团的交联液晶聚合物是最典型的光响应材料之一。在交联液晶聚合物中,有序排列的液晶基元赋予了材料较好的各向异性和协同的分子间相互作用,而交联网络结构使这些液晶基元的初始取向固定,并与高分子网络的构像互相关联,因此这类高分子材料具有很高的的响应应变、应力和速度,同时其形变具有良好的可逆性和可重复性。然而,受到交联网络的束缚,传统的交联液晶高分子的加工性能较差,并且大部分此类驱动执行器在紫外光照射下向光弯曲,极大地限制了这类材料的应用。



  为了解决上述问题,华东师范大学张利东教授课题组报道了一种非交联光响应液晶聚合物薄膜驱动器,该薄膜驱动器是由胆甾相液晶单体与偶氮苯液晶单体在无交联剂存在下通过光引发自由基共聚制备而成,并通过简单的机械拉伸获得了液晶基元的取向。与前人工作不同,在取向薄膜中,侧链的液晶基元在垂直于拉伸方向的平面内有序取向排列。这种垂直取向模式和非交联结构的结合导致液晶薄膜在紫外光照射下向远离光源的方向弯曲。这种非交联液晶聚合物薄膜具有优异的响应性能和良好的加工性,在空气和液体环境中都具有良好的光响应行为,这使得其在传感系统、软体机器人和人造肌肉领域中具有较大的应用价值。 胆甾相液晶单体与偶氮苯液晶单体在无交联剂存在下通过光引发自由基聚合制备得到非交联液晶共聚物薄膜,在120 °C下对薄膜进行机械拉伸,使非交联聚合物主链和侧链液晶基元得到取向,并通过冷却固定薄膜内部的取向结构。通过多种表征方法证明,取向薄膜中侧链的液晶基元在垂直于拉伸方向的平面内取向排列,呈近晶A*相液晶结构 (如图1所示) 


1光响应非交联液晶聚合物薄膜的制备及取向


  在非交联液晶聚合物薄膜中,侧链中液晶基元的取向排列与主链构象之间的耦合作用较弱,因此偶氮苯基团的光异构化引发的自由体积膨胀效应在光诱导弯曲行为中占主导地位。基于偶氮苯基团在紫外光照射波长(365 nm)下具有较高的消光系数,紫外光几乎无法穿透薄膜,因此偶氮苯的光异构化主要发生在紫外光照射的薄膜表层部分,而深层部分的偶氮苯基元仍然保持反式构型。这种情况下,只有薄膜表面区域产生顺反异构化引发的各向异性膨胀应力,导致薄膜向远离入射光源的方向弯曲。在可见光照射下,薄膜表层的顺式偶氮苯基元转变为反式构型,使薄膜恢复到初始的平坦状态。 


2. 取向薄膜的光响应驱动机理


  张利东教授团队探究了薄膜的拉伸应变、厚度和紫外光强度对薄膜的光致应力和弯曲角度的影响。取向后的非交联液晶薄膜的光致弯曲具有快速响应和高驱动应变的特点,同时非交联结构没有影响其驱动行为的重复性和可逆性 (如图23所示) 


3. 取向薄膜的光响应驱动行为


  利用上述取向薄膜构建了多种柔性制动器,展示其在空气中的光致驱动行为,例如使用薄膜拨动齿轮的顺时针、逆时针转动,以及模仿花朵开放、收缩的过程。值得注意的是,基于取向薄膜远离光源弯曲的响应特征以及对紫外光的高响应性,作者通过控制入射光的照射位置实现了薄膜制动器的光驱动翻滚运动模式,在该运动模式中不需要对匀质薄膜进行不对称修饰 (如图4) 


4. 空气中的柔性光响应制动器 


5. 乙醇溶液中的柔性光响应致动器


  在液体环境下刺激响应驱动器的设计和制备一直是个挑战,主要是由于液体环境中阻力比空气中更大,并且能量转换效率较低。由于在空气中取向薄膜能在低光强紫外光照射下(例如 18 mW /cm2)也表现出良好的弯曲性能,即使液体环境会将部分的入射光能反射、吸收,薄膜机器人也可以将被削弱的光能转化为机械能,从而在液体环境中进行各种宏观光响应运动。作者展示了薄膜驱动器在乙醇溶液中的翻滚、爬坡,以及爬行和提升重物行为 (如图5)。更为详细的信息,请参考原文Macromolecules, 2023。


  以上研究成果以“A photo-responsive non-crosslinking film actuator that bends away from the light source”为题,于2023913号发表在Macromolecules上。华东师范大学化学与分子工程学院张利东教授为论文通讯作者,硕士研究生杨紫悦为论文第一作者。该研究工作得到国家、上海市及重庆市自然科学基金的支持。


  原文链接:https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c01263

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(责任编辑:xu)
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