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  模仿生物的刺激響應(yīng)行為（如動物的趨光性、植物的向濕性等）構(gòu)筑智能材料是新型功能材料發(fā)展的重要方向之一，有望應(yīng)用于生命醫(yī)療、航空航天、軍事探測等多種領(lǐng)域。液晶彈性體兼具優(yōu)異的協(xié)同作用和高分子網(wǎng)絡(luò)的彈性，能夠在熱、電、磁、光等外界刺激下，通過改變液晶基元的排列而產(chǎn)生各向異性的形狀或尺寸變化。光是一種清潔能源，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程、定點(diǎn)、精確操控，并且可以通過改變波長、強(qiáng)度、偏振方向等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，因此在眾多刺激方式中脫穎而出，使光致形變成為液晶高分子研究中的熱點(diǎn)課題。目前研究最為廣泛的是含偶氮苯基團(tuán)的光致形變液晶高分子，偶氮苯可以在光的作用下實(shí)現(xiàn)順反異構(gòu)化的轉(zhuǎn)變，光化學(xué)反應(yīng)引起的分子結(jié)構(gòu)變化可以在液晶基元協(xié)同效應(yīng)的作用下進(jìn)一步放大為材料的宏觀形變。

  近日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系俞燕蕾教授課題組應(yīng)邀撰寫了題為“Photodeformable Azobenzene-Containing Liquid Crystal Polymers and Soft Actuators”的綜述論文，梳理總結(jié)了近十幾年來含有偶氮苯基團(tuán)的光致形變液晶高分子及其柔性執(zhí)行器的重要發(fā)展歷程和趨勢，并關(guān)注通過仿生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)器件功能化的新思路。該論文最近在線發(fā)表在Advanced Materials期刊上（DOI: 10.1002/adma.201904224）。

  影響液晶高分子光致形變性能的核心因素主要有兩點(diǎn)：一是液晶分子的取向方式；二是材料的加工性能。該綜述首先系統(tǒng)介紹了取向?qū)庵滦巫兊挠绊懀▓D1）。通過液晶分子平行、垂直、雜化、螺旋等不同的排列方式，可以實(shí)現(xiàn)宏觀執(zhí)行器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、彎曲、扭曲以及滾動等形變形式，體現(xiàn)了液晶高分子在多尺度協(xié)同變化以及微觀結(jié)構(gòu)-宏觀性能調(diào)控方面的優(yōu)越性。同時(shí)，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為光致形變液晶高分子中的雙刃劍，一方面提高了材料的力學(xué)強(qiáng)度和形變性能，另一方面也制約了復(fù)雜光控執(zhí)行器的加工。因此，文章詳細(xì)梳理了改善光致形變液晶高分子加工性能的研究進(jìn)展。為了解決材料不溶不熔的問題，后交聯(lián)體系、動態(tài)交聯(lián)體系和非化學(xué)交聯(lián)體系應(yīng)運(yùn)而生。其中非化學(xué)交聯(lián)體系通過高度有序的液晶排列以及高分子鏈纏結(jié)形成物理交聯(lián)，不僅兼容溶液、熔融、旋涂、輥壓等通用高分子加工方法，還具有強(qiáng)韌的力學(xué)性能和優(yōu)良的光致形變性能，可制備成一維（纖維）、二維（薄膜）以及三維（微管）的各種光控執(zhí)行器并實(shí)現(xiàn)微流體輸運(yùn)等特定功能（圖2）。同時(shí)，該材料還能與天然閃蝶翅膀、醫(yī)用EVA材料完美復(fù)合，賦予非響應(yīng)材料光響應(yīng)性能。由此可見，設(shè)計(jì)和制備全新結(jié)構(gòu)的液晶高分子是從根本上提高光致形變液晶高分子材料加工性能的有效手段，這也是該領(lǐng)域未來重點(diǎn)發(fā)展的方向。

圖1. 常見的液晶取向和多種光致形變方式。

圖2. (a) 光致形變線型液晶高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)；(b) 微管在梯度光照下由圓筒形變?yōu)閳A錐形，驅(qū)動液體向窄端移動，撤銷光照后液體運(yùn)動停止；(c) 不同形狀的微管執(zhí)行器；(d) 光控液體在直形微管中的運(yùn)輸。

  光致形變液晶高分子可以通過改變分子取向?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形變，如彎曲、扭曲、螺旋等，為微型執(zhí)行器的制備奠定了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。此外，光致形變液晶高分子材料在能量收集、自清潔表面、傳感器等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。

  最后，作者對這一領(lǐng)域未來的重點(diǎn)研究方向進(jìn)行展望，例如材料加工性能與工藝的改進(jìn)為可編程的液晶聚合物發(fā)展提供了新的機(jī)遇。編程過程可能涉及到很多方面，如液晶分子取向的調(diào)控、幾何形狀和組成的特殊設(shè)計(jì)等等，甚至可以將光進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的程序化形變。相信這篇綜述能對液晶高分子材料及柔性執(zhí)行器領(lǐng)域的研究人員有所幫助。

  該論文的第一作者為復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系博士生龐馨蕾，通訊作者為俞燕蕾教授，論文得到國家自然科學(xué)基金委（21734003）和上海市教育委員會（2017-01-07-00-07-E00027）的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201904224