近日,清華大學(xué)化學(xué)系與英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室合作在國(guó)際著名期刊《自然材料》(Nature materials)上在線發(fā)表了題為《通過(guò)可交換共價(jià)鍵實(shí)現(xiàn)可塑的液晶彈性體驅(qū)動(dòng)器》(Mouldable liquid-crystalline elastomer actuators with exchangeable covalent bonds)的研究論文,報(bào)道了利用可逆酯交換反應(yīng)成功制備可塑形的、可重復(fù)加工的液晶彈性體材料。清華大學(xué)化學(xué)系2012級(jí)博士生裴志強(qiáng)和2012級(jí)碩士生楊洋為文章的共同第一作者。
液晶彈性體材料在熱、光、電、磁等外界刺激下可發(fā)生形狀的自發(fā)改變,作為致動(dòng)器及感應(yīng)器在人工肌肉、柔性機(jī)器人、盲人顯示器等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。這種形狀的改變是基于高分子內(nèi)部的液晶有序性,通過(guò)光、熱、磁等方式改變這種有序性將產(chǎn)生可逆的宏觀形狀變化。為了使液晶彈性體發(fā)生實(shí)際意義的形狀改變,必須將液晶高分子鏈作單疇取向(單疇是指液晶分子鏈中很窄的或單一取向的區(qū)域)。傳統(tǒng)的兩步交聯(lián)法、外場(chǎng)和界面條件交聯(lián)法等制備單疇液晶彈性體的工藝,或工藝復(fù)雜并成功率低,或僅適用于微米級(jí)樣品。正因如此,長(zhǎng)久以來(lái),這種液晶彈性體材料在現(xiàn)實(shí)生活中難以應(yīng)用。
該研究提出利用可逆酯交換交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)替代永久交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的思路,先制備具有優(yōu)異形狀記憶性和可加工性的多疇液晶彈性體材料。再在此基礎(chǔ)上,只需用簡(jiǎn)單模具在高溫下對(duì)材料進(jìn)行拉伸使液晶基元取向,冷卻到常溫即可得到單疇的液晶彈性體。所制備的單疇液晶彈性體不僅液晶取向度高,力學(xué)性能優(yōu)異,而且可塑造出不同的形狀結(jié)構(gòu)。而在過(guò)去,除了平面的薄膜樣品,液晶彈性體很難具有其它的形狀。
該研究中制備單疇液晶彈性體的簡(jiǎn)易方法是液晶彈性體實(shí)際應(yīng)用的重大突破,為液晶彈性體作為驅(qū)動(dòng)器和感應(yīng)器的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)辟了道路。例如圖中所示的圓突起,經(jīng)過(guò)摻雜碳納米管等物質(zhì)后可實(shí)現(xiàn)光照可逆驅(qū)動(dòng),為基于液晶彈性體觸覺(jué)顯示器的制備提供可能。
本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家973項(xiàng)目的資助。
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