常州大学杨荣副教授与合作者 Angew：基于有序-有序液晶相变的动态形变液晶聚合物

2024-01-17 来源：高分子科技

液晶弹性体/交联网络在外界环境刺激下表现出可逆伸缩形变，可潜在用于人工肌肉，传感器，致动器，柔性机器人等领域。现有液晶致动器通常需要先构筑按需排列并交联固定的液晶基元，然后诱导液晶从有序液晶态到无序各向同性态相变，进而实现各种复杂可逆形变或动作。

最近，常州大学杨荣副教授及其合作者报道了一种基于有序-有序液晶相变机制的液晶聚合物致动器。这种液晶聚合物致动器合成、制备方法简单。以联苯二氧己醇为液晶基元，与苯基丁二酸直接熔融缩聚而成。所合成的液晶聚合物为近晶型液晶高分子，其分子链有序折叠。侧基苯环错位平行有序堆积结构带来的强烈π-π相互作用，可作为物理交联点原位固定取向。因此，将其在液晶态下拉伸取向，无需后续交联固定即可制备得到具有可逆伸缩形变的液晶致动器。所制备的单畴液晶致动器在升温过程中（40-60℃），发生近晶A-近晶C相变，近晶相层间距减小，液晶薄膜收缩；降温过程中（60-40℃），发生近晶C-近晶A相变，近晶相层间距增大，液晶薄膜伸长，从而实现在有序-有序液晶相变诱导下的可逆伸缩形变。由于，π-π堆积具有动态性，因此单畴取向的液晶薄膜可进一步塑形或者将单畴取向液晶薄膜与聚酰亚胺膜复合可制备得到扭曲，折叠，螺旋等复杂可逆双向形变的液晶致动器。

图1. 液晶致动器的化学结构，制备方法以及有序-有序液晶相变机制

图2. 液晶致动器的复杂形变

研究进一步发现该液晶聚合物在室温（25-40℃）退火，液晶聚合物可从近晶A相再次转变为近晶C相，在随后的升温过程中，液晶聚合物会先后经历近晶C（退火）-近晶A-近晶C的相变。基于此，这种液晶聚合物可以表现出现有液晶致动器难以实现的独特的可逆动态形状变化，即在冷却时表现出先伸长，等待一段时间后自发收缩，再次回到初始形状。其中伸长是由近晶C-近晶A相转变诱导，而收缩则是由近晶A相经室温退火后重新进入近晶C相推动。在升温时，液晶致动器同样表现出先伸长再缩短的形变。通过改变退火温度和时间还可以控制动态形变响应的速率和幅度。

利用这一独特的动态形变，所制备的液晶致动器抓手可以在单一刺激（降温或升温）下实现抓取和放开两个动作。还可以模拟自然界植物的特殊习性，如昙花夜间（低温）开花后迅速闭合以及湿生扁蕾只在上午盛开，清晨和中午（高温或低温）均闭合的特性。

图3. 具有动态形变的液晶致动器的潜在应用

这一研究将为具有复杂变形的液晶致动器/传感器的设计和开发提供新的理论思路和方法。

相关工作以“Dynamic Shape Change of Liquid Crystal Polymer Based on An Order-Order Phase Transition”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed. （DOI：10.1002/anie.202314859）上，文章第一作者/通讯作者为常州大学材料科学与工程学院的杨荣副教授，共同通讯作者为四川大学陈力教授和加拿大舍布鲁克大学赵越教授。

全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202314859

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（责任编辑：xu）

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