清華新聞網(wǎng)5月27日電 近期，清華大學(xué)化學(xué)系生命有機(jī)磷化學(xué)及化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吉巖團(tuán)隊(duì)在液晶彈性體柔性驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)便的“從布到衣”制備柔性驅(qū)動(dòng)器的方法，通過(guò)將液晶彈性體（LCEs）的滯后行為與動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的交換反應(yīng)相結(jié)合，大幅降低了柔性驅(qū)動(dòng)器的制備門檻。由于滯后行為，LCEs（可類比于“布”）在拉伸和釋放后能夠有效地長(zhǎng)時(shí)間保持目標(biāo)形狀。隨后，樣品能夠通過(guò)交換反應(yīng)在常溫下成為柔性驅(qū)動(dòng)器（可類比于“衣服”）。作為一種后合成方法，此策略有效地將LCEs材料和柔性驅(qū)動(dòng)器的生產(chǎn)過(guò)程分離開(kāi)來(lái)。LCEs可以由工廠或生產(chǎn)商進(jìn)行大規(guī)模批量生產(chǎn)，并且可以像布卷一樣存儲(chǔ)以備后續(xù)應(yīng)用。當(dāng)需要時(shí)，這些LCEs可以根據(jù)需要定制成柔性驅(qū)動(dòng)器。這種策略為制備柔性驅(qū)動(dòng)器提供了一個(gè)穩(wěn)健、靈活和可擴(kuò)展的解決方案，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和普適化應(yīng)用。
圖1.柔性驅(qū)動(dòng)器“從布到衣”策略的制備過(guò)程示意圖
受自然界生物的啟發(fā)，柔性驅(qū)動(dòng)器有望用于柔性?shī)A持器、人工肌肉、可穿戴電子設(shè)備和生物醫(yī)療器件等新興領(lǐng)域。然而，它們的制備過(guò)程需要特定的儀器、強(qiáng)刺激或?qū)I(yè)操作技能，通常只能在實(shí)驗(yàn)室或少數(shù)企業(yè)中進(jìn)行，難以批量化生產(chǎn)和普適化應(yīng)用。目前尚缺乏一種柔性驅(qū)動(dòng)器的自由形成制備方法。
該研究中的LCEs因其出色的滯后行為而被選為“布”。LCEs的滯后行為源于介晶的π-π堆積引起聚合物鏈之間的額外向列相互作用，導(dǎo)致內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)約束。LCEs的滯后行為使其在拉伸-松弛后呈現(xiàn)殘余應(yīng)變。沿外力拉伸軸的局部液晶取向過(guò)程中指向矢的偏轉(zhuǎn)使其能夠吸收大量機(jī)械能，從而確保了LCEs經(jīng)歷變形后的應(yīng)變歷史即使在卸載外部應(yīng)力后也能保持良好。過(guò)往僅使用動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的方法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種策略。獲得的LCEs材料形變至目標(biāo)形狀后，立即撤去外力，形狀能夠保持。在環(huán)境溫度下保持一段時(shí)間，此形狀即可永久記憶。
圖2.“布”（LCEs）的合成與“衣”（柔性驅(qū)動(dòng)器）的制備過(guò)程
圖3.液晶彈性體的取向及其內(nèi)在動(dòng)態(tài)特性
這種策略固有的靈活性使得其可以獨(dú)立控制不同區(qū)域的取向，就像一塊原始的“布”可以轉(zhuǎn)變成多種類型的“衣”一樣。這促進(jìn)了從單一初始形狀衍生出不同的變形模式的實(shí)現(xiàn)。此外，在柔性驅(qū)動(dòng)器的同一區(qū)域疊加多種方向的情況較為罕見(jiàn)。該工作通過(guò)在相同材料上疊加單軸和折疊取向，制備了一種獨(dú)特的折疊扇形柔性驅(qū)動(dòng)器。另一方面，類似于將“衣”改造并重新用于不同的服裝一樣，該工作的柔性驅(qū)動(dòng)器由于其動(dòng)態(tài)特性，可以重新編輯驅(qū)動(dòng)模式。類似于“衣”可能需要局部圖案，常見(jiàn)工具也可以用于柔性驅(qū)動(dòng)器多樣化形變模式的局部設(shè)計(jì)。
圖4.柔性驅(qū)動(dòng)器通過(guò)“布料到類衣服”的策略制備的演示
圖5.利用膠帶制備柔性驅(qū)動(dòng)器的演示
該研究有望推動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器從實(shí)驗(yàn)室走向未來(lái)多功能應(yīng)用和大規(guī)模生產(chǎn)。購(gòu)買“布”后，普通民眾可以自由地為各種場(chǎng)景量身定制柔性驅(qū)動(dòng)器，類似于將布料制成各種家居織物和日常用品的方式。對(duì)于工業(yè)制造而言，可以形成簡(jiǎn)化且成熟的生產(chǎn)體系，以便控制和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)批量制造。這種制備策略有望為學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域的先進(jìn)柔性驅(qū)動(dòng)器開(kāi)辟相當(dāng)大的發(fā)展空間。
5月9日，相關(guān)研究成果以“‘從布到衣’柔性驅(qū)動(dòng)器制備方法”（“Cloth-to-clothes-like” fabrication of soft actuators）為題，在線發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。
清華大學(xué)化學(xué)系副教授吉巖為論文通訊作者，梁歡博士為論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202400286
供稿：化學(xué)系
編輯：李華山
審核：郭玲
