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四川大學蒲偉、肖堯予/舍布魯克大學趙越 Angew ：基于材料-結構協同作用的體溫與自然陽光響應型動態液晶彈性體自持驅動器

2025-02-27 來源：高分子科技

基于液晶彈性體（LCE）的自持驅動器能夠在恒定外界刺激下持續地自振蕩或自主移動。目前，由于LCE的液晶-各向同性相變溫度（T_ni）普遍較高，其自持運動通常依賴高功率、大面積、長時間運行的人工能源（如高溫或強光），能量效率低，且易對環境造成熱或光損傷，限制了LCE自持驅動器的實際應用。為了解決這些問題，亟需開發能夠由可持續的自然/綠色低能量刺激源（如自然陽光或體溫）驅動的LCE自持驅動器。然而，利用低能量刺激源實現穩定的自持運動（特別是自持滾動運動）需要LCE在狹窄低溫區間實現高驅動應變速率，這是一個巨大的挑戰。

近日，四川大學蒲偉教授、肖堯予研究員與舍布魯克大學趙越教授合作，報道了一種T_ni低至~32°C的碳納米管摻雜Diels-Alder動態交聯LCE材料（DALCE，圖1）。該材料具有優異的可重加工性、可重編程性及可重構性，可通過3D打印技術制備復雜結構（圖2k）。基于此，團隊構建了同手性加捻卷繞型（HOTC）自持驅動器。利用材料-結構協同作用，該驅動器在30°C下實現了480%/s的應變速率（圖2m），并由此能夠在體溫和自然陽光驅動下實現自持滾動運動，也能夠在22°C下實現自持解扭轉-扭轉運動。

該工作以“Dynamic Liquid Crystal Elastomers for Body Heat- and Sunlight Driven Self-Sustaining Motion via Material-Structure Synergy”為題發表在《Angewandte Chemie International Edition》（DOI: 10.1002/anie.202500527），第一作者為四川大學機械工程學院碩士研究生劉清。這項研究工作通過材料-結構協同設計，打破了傳統LCE在日常隨處可及的低能量刺激源下難以實現高應變速率和自主滾動/振蕩的瓶頸，實現了體溫、自然陽光以及常溫下的多種自持驅動模式。

圖1.（a）用于制備低T_ni DALCE的材料組分的化學結構。（b）摻雜CNT的DALCE致動器的重新編程過程示意圖。DALCE致動器在（c）溫暖皮膚或（d）自然陽光下自持續滾動的示意圖。

研究表明，當C6BAPE占液晶單體總量的75wt%時，DALCE材料表現出最低的向列相-各向同性相轉變溫度（圖2a），同時兼具優異的機械性能（圖2c）。通過摻雜多壁碳納米管（MWCNTs），DALCE不僅能在體溫（~35°C）下快速響應，還可通過光熱效應在自然光下實現驅動。得益于動態Diels-Alder交聯網絡，該材料具有高度可重編程性，單一樣品能夠被重構為多種驅動器，實現折疊、展開等可逆形變（圖2k）。此外，DALCE經熱致解交聯后可作為4D打印油墨，用于精確擠出纖維，為復雜結構制造提供了新途徑。

圖2. DALCE的結構與性能表征；基于DALCE-C75-CNT的同手性加捻卷繞（HOTC）驅動器與單軸取向驅動器的對比。

與單軸取向纖維相比，HOTC結構驅動器在驅動應變（在0°C和特定驅動溫度之間循環時測量）方面提高了約25倍，變形速率提高了約30.5倍，且驅動溫度降低了約20°C（圖2m和2n）。此外，研究還揭示了DALCE在多種應用場景中的潛力，例如在人類皮膚表面的自滾動運動以及在自然陽光下的自主運動。僅需微小溫度梯度（如人體體表與環境溫差約10°C）即可實現自持滾動運動——在手掌、手背及手臂表面分別以3.78 mm/s、3.84 mm/s和3.14 mm/s的平均速度自主移動（圖3a）。更引人注目的是，該驅動器在22°C環境溫度下無需外部能量輸入，僅通過局部冷熱耦合即可模擬呼吸以及實現周期性解扭轉-扭轉自振蕩（圖3f），展現了獨特的物理智能特性。研究還驗證了其在自然陽光下的多場景應用潛力：環形HOTC驅動器能夠在垂直圓柱表面實現2.66 mm/s的向下自滾動運動（圖3c，遮擋陽光可暫停該自滾動過程），并能自適應不同材質（玻璃、塑料等）與曲率（30-46 mm）的表面（圖3e）；該結構還可快速自適應收縮以貼合手臂，并隨后實現體溫驅動的自滾動運動（圖3b）。

圖3. 基于DALCE的HOTC驅動器在（a,b）體溫、（c）自然陽光、（d,e）模擬太陽光以及（f）常溫下的多種自持驅動模式。

此項工作通過材料-結構協同設計，為低能量驅動與高應變速率難以兼得這一難題提供了新思路，并為熱致自持驅動器的生物醫療應用及環境能源驅動的自主化軟體機器人開辟了全新路徑。

作者信息：

蒲偉，1989年9月出生，現任四川大學機械工程學院院長，教授，2024年入選國家高層次人才，2019年入選教育部人才計劃青年學者，空間先進機構與智能飛行器教育部重點實驗室常務副主任，美國麻省理工學院（MIT）博士后，溫詩鑄楓葉獎-優秀青年學者獎獲得者。主要從事軟體機器人、分子模擬與納米材料、傳動摩擦學等方面的教學與科研工作，主持國家自然科學基金、國家XX基礎科研、國家重點研發計劃課題等項目。

肖堯予，1992年9月出生，四川大學研究員、博導，入選國家高層次青年人才，四川省“天府峨眉計劃”青年人才，高分子材料工程國家重點實驗室（四川大學）優秀青年。主要從事新型智能變形高分子及其柔性智能器件的設計與開發工作。研究范圍涵蓋新型形狀記憶高分子和液晶彈性體材料的研制，以及利用活性材料開發自驅式軟體機器人、智能觸敏驅動體系、智能織物與可穿戴設備等。迄今，以第一作者或共同第一作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew.Chem., Prog. Polym. Sci, 等國際主流期刊發表多篇SCI論文。歡迎對科研充滿熱情的同學加入該團隊！

論文信息：

Dynamic Liquid Crystal Elastomers for Body Heat- and Sunlight- Driven Self-Sustaining Motion via Material-Structure Synergy

Qing Liu,# Zhi-Chao Jiang,# Xue Jiang, Jing Zhao, Ying Zhang, Yue Liu, Jun-Bo Hou, Yao-Yu Xiao,* Wei Pu,* and Yue Zhao*

Angewandte Chemie International Edition

DOI:10.1002/anie.202500527

https://doi.org/10.1002/anie.202500527

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（責任編輯：xu）

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