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  液晶彈性體 (Liquid crystal elastomers，LCEs)結合了液晶的各向異性和交聯聚合物的橡膠彈性，通過控制對液晶彈性體液晶分子基元 (mesogens unit)的排列方向，其能夠實現可逆形變。這些特性使得液晶彈性體在軟體機器人、可控驅動器等方面具有廣泛的應用前景。液晶彈性體的驅動原理主要是基于它的有序-無序之間的相轉變。相比于熱、電或磁驅動的液晶彈性體，光驅動液晶彈性體具有遠程、可局部控制驅動的優點。目前，光驅動的液晶驅動器主要基于光化學效應(photochemical effect)和光熱效應(photothermal effect)兩種機理。前者主要基于偶氮苯基團在紫外光和可見光下發生的光致異構化反應，但其受副反應和光降解等因素的影響，長期穩定性較差。后者主要基于光熱轉化，但一般的光熱轉換材料(photothermal agent)在液晶彈性體中會出現團聚現象，從而減低光熱效應，限制驅動器的響應速率，驅動性能和循環性能。因此，制備顯著光熱效應并且可以重復驅動的液晶彈性體驅動器目前仍具有一定難度。

  美國賓夕法尼亞大學材料科學與工程系Shu Yang (楊澍) 教授團隊的Yuchen Wang (王宇晨)等通過對金納米棒(AuNRs)進行聚乙二醇(PEG)的表面修飾,將AuNRs分散在以液晶單體RM82和液晶低聚體RM82-1,3 PDT的混合物中，通過光引發交聯，制備了具有顯著光熱效應、可循環驅動的近紅外光響應(NIR responsive)的金納米棒液晶彈性體復合物(AuNR/LCE)。該金納米棒液晶彈性體復合物能夠在800 nm的近紅外波長光照下實現快速驅動(平均光強1W/cm^-2，驅動響應時間小于5秒,回復時間小于2秒)，同時保持56%的驅動應變(actuation strain)。通過變換光掩模板的圖案來有效控制光照到金納米棒液晶彈性體復合物膜的位置和強度，單一取向的復合物膜能夠實現不同的驅動變形模式。

圖一 a)金納米棒液晶彈性體復合物的制備過程。b)純液晶彈性體和金納米棒液晶彈性體復合物的紫外-可見-近紅外光譜。c)0.2 wt% 金納米棒液晶彈性體復合物的偏光顯微鏡圖片。d)金納米棒液晶彈性體復合物在單一偏光片下的紫外-可見-近紅外光譜。

  圖一展示了金納米棒液晶彈性體復合物的制備過程, 經過修飾的金納米棒較好的分散在液晶基體中。紫外-可見-近紅外(UV-Vis-NIR)光譜中可以觀察到由金納米棒產生的明顯的表面等離子體共振峰。同時，金納米棒不但不影響液晶分子的取向排列，還能夠延著液晶分子的取向排列。

圖二 a)純液晶彈性體和金納米棒液晶彈性體復合物在不同功率800 nm光下與溫度之間的關系圖。b)金納米棒液晶彈性體復合物光照彎曲的可能機制。c) 0.2 wt% 金納米棒液晶彈性體復合物彎曲角度和光功率之間的關系。d,e) 0.2 wt% 金納米棒液晶彈性體在1W/cm^-2 800 nm 光下的彎曲角度隨時間變化的關系圖和循環測試圖。

  圖二展示了液晶彈性體復合物顯著的光熱效應。當0.2 wt% 金納米棒被引入液晶彈性體中，0.8W/cm^-2的800 nm光可以將復合物的溫度升至150 °C。該液晶彈性體復合物能夠向光照方向彎曲，其彎曲角度和光照強度有關。當光的平均功率1W/cm^-2時，其驅動響應時間約為3 秒，回復時間約1秒。此外，光熱驅動可以至少循環50次，其性能沒有顯著的變化。

圖三 a)通過控制光掩模板圖案驅動不同形變的示意圖。b)當對稱點陣光圖案照射在復合物上時的驅動變形。c) 當非對稱C形圖案照射在復合物上時的驅動變形。(800 nm，功率0.9W/cm^-2)。

  圖三展示了通過控制光掩模板的圖案獲得不同的驅動變形：當使用對稱的點陣光圖案照射時，可以獲得正弦波狀的變形；當使用非對稱C形圖案的光照射時，可以獲得非對稱的變形。這些變形均可以由同一片單一方向取向的液晶彈性體復合物膜所實現。

  該策略有以下幾個優點：1）制備簡單。雖然之前許多文獻報道了各種可編程的液晶高分子變形方法，但是液晶高分子彈性體必須在制備中進行預取向。這些預取向制備方法不僅過程復雜，而且在預取向后，變形的形狀也就已經固定。要實現另一個變形形狀，需要重新制備新的膜。相比之下，該方法只需要制備單一取向的復合物膜。2）同一片液晶彈性體復合物膜可以變形多次。通過改變照到復合物膜上的光的圖案，人們可以無限次地改變驅動變形的形狀，從而免去了復雜的液晶基元的取向過程。3）變形的尺寸精度和類型可以使用空間光調制器而進一步提高和擴展。

  以上相關成果發表在Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.202004270. 第一作者為Yuchen Wang (王宇晨)，通訊作者為Shu Yang(楊澍)教授。合作者包括美國賓夕法尼亞大學材料科學與工程系的Liang Feng(馮亮)教授課題組。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202004270