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常州大學楊榮副教授與合作者 Angew：基于有序-有序液晶相變的動態形變液晶聚合物

2024-01-17 來源：高分子科技

液晶彈性體/交聯網絡在外界環境刺激下表現出可逆伸縮形變，可潛在用于人工肌肉，傳感器，致動器，柔性機器人等領域。現有液晶致動器通常需要先構筑按需排列并交聯固定的液晶基元，然后誘導液晶從有序液晶態到無序各向同性態相變，進而實現各種復雜可逆形變或動作。

最近，常州大學楊榮副教授及其合作者報道了一種基于有序-有序液晶相變機制的液晶聚合物致動器。這種液晶聚合物致動器合成、制備方法簡單。以聯苯二氧己醇為液晶基元，與苯基丁二酸直接熔融縮聚而成。所合成的液晶聚合物為近晶型液晶高分子，其分子鏈有序折疊。側基苯環錯位平行有序堆積結構帶來的強烈π-π相互作用，可作為物理交聯點原位固定取向。因此，將其在液晶態下拉伸取向，無需后續交聯固定即可制備得到具有可逆伸縮形變的液晶致動器。所制備的單疇液晶致動器在升溫過程中（40-60℃），發生近晶A-近晶C相變，近晶相層間距減小，液晶薄膜收縮；降溫過程中（60-40℃），發生近晶C-近晶A相變，近晶相層間距增大，液晶薄膜伸長，從而實現在有序-有序液晶相變誘導下的可逆伸縮形變。由于，π-π堆積具有動態性，因此單疇取向的液晶薄膜可進一步塑形或者將單疇取向液晶薄膜與聚酰亞胺膜復合可制備得到扭曲，折疊，螺旋等復雜可逆雙向形變的液晶致動器。

圖1. 液晶致動器的化學結構，制備方法以及有序-有序液晶相變機制

圖2. 液晶致動器的復雜形變

研究進一步發現該液晶聚合物在室溫（25-40℃）退火，液晶聚合物可從近晶A相再次轉變為近晶C相，在隨后的升溫過程中，液晶聚合物會先后經歷近晶C（退火）-近晶A-近晶C的相變。基于此，這種液晶聚合物可以表現出現有液晶致動器難以實現的獨特的可逆動態形狀變化，即在冷卻時表現出先伸長，等待一段時間后自發收縮，再次回到初始形狀。其中伸長是由近晶C-近晶A相轉變誘導，而收縮則是由近晶A相經室溫退火后重新進入近晶C相推動。在升溫時，液晶致動器同樣表現出先伸長再縮短的形變。通過改變退火溫度和時間還可以控制動態形變響應的速率和幅度。

利用這一獨特的動態形變，所制備的液晶致動器抓手可以在單一刺激（降溫或升溫）下實現抓取和放開兩個動作。還可以模擬自然界植物的特殊習性，如曇花夜間（低溫）開花后迅速閉合以及濕生扁蕾只在上午盛開，清晨和中午（高溫或低溫）均閉合的特性。

圖3. 具有動態形變的液晶致動器的潛在應用

這一研究將為具有復雜變形的液晶致動器/傳感器的設計和開發提供新的理論思路和方法。

相關工作以“Dynamic Shape Change of Liquid Crystal Polymer Based on An Order-Order Phase Transition”為題發表在Angew. Chem. Int. Ed. （DOI：10.1002/anie.202314859）上，文章第一作者/通訊作者為常州大學材料科學與工程學院的楊榮副教授，共同通訊作者為四川大學陳力教授和加拿大舍布魯克大學趙越教授。

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202314859

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（責任編輯：xu）

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