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巴黎高科化學學院李敏慧教授與合作者 Small: 電刺激雙功能液晶彈性體執行器

2023-12-03 來源：高分子科技

刺激響應型智能材料因其在外部刺激下發生特定的幾何形變或尺寸變化而引起了科研人員的極大興趣。作為其中重要的一種，取向的液晶彈性體可以在各種外部刺激（例如溫度，光，電等）下，因為液晶高分子鏈的構象的變化而表現出可逆的各向異性形變，比如像肌肉一樣收縮和伸張。溫度和光是LCE中最為普遍的刺激手段，但是它們不如電刺激實用和方便。遺憾的是，電刺激的LCE比較罕見，因此是迫切需要的。另一方面，導電高分子材料是一種電刺激智能材料，在給予其一定的驅動電壓時會發生彎曲形變（執行器），而在給予一定的機械刺激時會產生電信號（傳感器）。典型的離子導電高分子智能器件（i-EAD）為三層結構，包括中間一層離子導電膜和作為電極的上下兩層導電聚合物（ECP）組成。目前大多數使用的ECP為摻雜聚苯乙烯磺酸鹽的聚（3,4-乙撐二氧噻吩）（PEDOT：PSS）。在一定電壓和頻率的刺激下，ECP可以在電解質存在下被氧化或還原，為了確保ECP的整體電中性，在ECP內發生的離子的進出會導致ECP層收縮或膨脹實現彎曲變形。這項工作的要點在于，把液晶彈性體和導電高分子智能器件結合起來，制備了電刺激的即可收縮/伸張又可彎曲的雙功能液晶彈性體執行器。

基于以上背景，法國巴黎文理大學巴黎高科化學學院李敏慧教授/巴黎塞爾吉大學Cédric Plesse教授通過對液晶彈性體（LCE）和離子導電聚合物器件（i-EAD）的緊密結合制備了具有三層結構的雙功能電刺激響應液晶彈性體執行器（eLCE，見圖1）。通過施加不同頻率和電壓的交變電流，這種雙功能液晶制動器可以實現彎曲形變或線性收縮形變。在 0.1 Hz 下施加 ±2 V 的電壓時，氧化還原和相關的離子的運動可為其提供 0.80% 的彎曲形變差（strain difference）。在10 Hz 下施加 ±6 V 的電壓時，離子運動引起的焦耳熱使得eLCE產生類似于肌肉的線性收縮，其收縮率為20%；當施加負載時，該eLCE執行器可以提起其自身270倍質量的重物，同時提供5.38 kJ·m^-3的做功能力（work capacity）。這樣將兩種智能高分子材料（LCE 和 i-EAD）結合在單個執行器中的方法有望用于制備具有多樣性和多自由度的智能材料，在軟體機器人、電子設備和傳感器的開發和應用中發揮重要作用。

圖1. 電刺激雙功能液晶彈性體執行器—三層結構 eLCE示意圖及應用展示：黃色中心層代表離子導電 LCE 薄膜（n表示向列相液晶排列方向），兩個黑色層代表基于 PEDOT:PSS電極。三層eLCE可執行彎曲變形（±2V，0.1Hz，彎曲形變差：0.80％）和線性收縮/伸長變形（±6V，10Hz，收縮率：20％）。

圖2. 在±2 V，0.1 Hz下，雙功能三層結構 eLCE 薄膜的彎曲形變。當施加 ±2 V 頻率為0.1 Hz 的電壓時，氧化還原和相關的離子的運動可為其提供 0.80% 的彎曲形變差。當正電勢施加在頂部電極（陽極）時，電極中的PEDOT被氧化成PEDOT^x+。PSS 充當離子選擇層，它僅允許陽離子在 PEDOT:PSS 電極內運動。為了保持電中性，陽離子將從氧化電極中排出，導致頂部電極收縮。在底部電極（陰極）上，出現相反現象；電極中的PEDOT^y+被還原為PEDOT。為了保持電中性，陽離子流入陰極，導致其膨脹。頂部收縮和底部膨脹最終導致執行器向上側彎曲變形。以此類推，當負電勢施加在頂部電極（現在的陰極）時，執行器則朝反方向向下側彎曲變形。在此頻率電壓的刺激下，執行器產生0.80%的彎曲形變差。

圖3. 在±6 V，10 Hz下，雙功能三層結構 eLCE 薄膜的線性收縮/伸長形變。當施加10 Hz，±6 V 的電壓時，離子運動產生的焦耳熱使得該執行器的液晶彈性體（LCE）層發生向列相到各向同性相的相轉變，從而在取向方向產生類似于肌肉的線性收縮，其收縮率為20%。當施加負載時，該eLCE執行器可以提起其自身270倍質量的重物，提供5.38 kJ·m^-3的做工能力。

這種由向列相取向的LCE離子導電膜和兩個導電聚合物電極制成的雙功能三層結構eLCE 執行器，首次實現了在不同頻率和電壓刺激下選擇性地執行彎曲變形或線性收縮變形。這種多功能 eLCE 執行器可以用于開拓具有多個仿生自由度的新型智能材料，例如章魚觸手，這是軟體機器人長期以來所期望的。

這項工作以“Electroactive Bi-Functional Liquid Crystal Elastomer Actuators”為題發表在《Small》（DOI: 10.1002/smll.202307565）期刊上。法國巴黎文理大學博士生劉高宇和博士生鄧亞奎為共同第一作者；法國巴黎文理大學李敏慧教授和巴黎塞爾吉大學的Cédric Plesse教授為共同通訊作者。該工作受到法國國家科研署（French National Research Agency. Grant Number: ANR-22-CE06-0023）和中國國家留學基金委的資助與支持。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202307565

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（責任編輯：xu）

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