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清華大學(xué)吉巖副教授團(tuán)隊(duì)《Angew. Chem.》:可控“開(kāi)關(guān)”液晶彈性體驅(qū)動(dòng)器的熱可重編輯性
2020-01-08  來(lái)源:高分子科技

  智能器件在各類(lèi)新興和成熟領(lǐng)域(如,能源、航空航天和生物醫(yī)學(xué))的飛速發(fā)展,帶來(lái)了對(duì)高性能軟體驅(qū)動(dòng)器(soft actuators)的迫切需求。其中,具有熱可重編輯性(Thermal reprogrammability)的軟體驅(qū)動(dòng)器,不僅能夠靈活更改結(jié)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)模式而不受自身形狀限制,并且有望用以構(gòu)建新一代具有高精確度和優(yōu)異形變能力的自適應(yīng)設(shè)備。然而,這種看似迷人性能卻往往以犧牲性能的穩(wěn)定性,如驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性為代價(jià)。熱可重編輯性和與驅(qū)動(dòng)器性能穩(wěn)定性之間致命的矛盾問(wèn)題,阻礙了高性能熱適應(yīng)性軟體驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

  近日,清華大學(xué)吉巖副教授及其研究團(tuán)隊(duì),受電路控制啟發(fā),聯(lián)想到如果熱可重編輯性能像電路一樣可靈活“開(kāi)關(guān)”,即在需要進(jìn)行形狀、功能編輯的時(shí)候?qū)⑵浯蜷_(kāi)(ON),而在驅(qū)動(dòng)器工作、儲(chǔ)存的時(shí)候,又能將其完全關(guān)閉(OFF),那么以上矛盾問(wèn)題便可迎刃而解。他們利用一種可淬滅的硅氧動(dòng)態(tài)交換反應(yīng),借助“合成后溶脹”的處理方法,實(shí)現(xiàn)了反復(fù)“開(kāi)關(guān)”液晶彈性體(LCEs)驅(qū)動(dòng)器的熱可重編輯性(圖1,圖2)。

圖1 (a)可控“開(kāi)關(guān)”液晶彈性體驅(qū)動(dòng)器熱可重編輯性的示意圖;(b)陰離子調(diào)控的動(dòng)態(tài)硅氧交換反應(yīng)。

  這種“合成后溶脹”的處理方法,無(wú)需復(fù)雜的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),便可將硅氧動(dòng)態(tài)交換反應(yīng)在極為常用的經(jīng)典硅氧烷液晶彈性體中激活,實(shí)現(xiàn)由原本惰性的材料制備可編輯的三維復(fù)雜驅(qū)動(dòng)器;而該動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)又可以通過(guò)加熱失活,即關(guān)閉熱可重編輯性,驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)、尺寸、性能穩(wěn)定性得到了很好的保證(圖2,圖3)。

圖2 (a)硅氧液晶彈性體化學(xué)結(jié)構(gòu);(b)通過(guò)開(kāi)關(guān)策略制備穩(wěn)定的單疇液晶彈性體驅(qū)動(dòng)器;(c)熱驅(qū)動(dòng)循環(huán)測(cè)試。

圖3 從普通硅氧液晶彈性體出發(fā)通過(guò)“開(kāi)關(guān)”策略制備三維驅(qū)動(dòng)器

  即使在180下高溫環(huán)境中放置超過(guò)72小時(shí),材料的驅(qū)動(dòng)性能也能保持不變。通過(guò)以上方法的迭代,這類(lèi)驅(qū)動(dòng)器可反復(fù)進(jìn)行編輯、反復(fù)循環(huán)使用并且兼具卓越的穩(wěn)定性(圖4)。此外,利用黑色墨水進(jìn)行部分圖案化,熱可重編輯性還能夠被局部關(guān)閉,從而實(shí)現(xiàn)將完全不同的驅(qū)動(dòng)模式無(wú)縫集成到一個(gè)致動(dòng)器中,以執(zhí)行更精細(xì)和復(fù)雜的任務(wù)(圖5)。

圖4 穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)器的再次編輯、回收

圖5 (a)有選擇性關(guān)閉熱可重編輯性的示意圖;(b)勾狀驅(qū)動(dòng)器的熱驅(qū)動(dòng),上部產(chǎn)生可逆伸縮驅(qū)動(dòng),下部產(chǎn)生可逆彎曲驅(qū)動(dòng);(c)勾狀驅(qū)動(dòng)器的光驅(qū)動(dòng),僅有下部對(duì)光響應(yīng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)。

  這種開(kāi)關(guān)策略普適性廣、操作簡(jiǎn)便,能用于眾多的硅氧聚合物網(wǎng)絡(luò),因此,過(guò)去諸多已知的具有獨(dú)特、良好性能的材料均能夠通過(guò)以上方法進(jìn)行改性,從而制備出更多樣的具有穩(wěn)定性能的熱可適應(yīng)器件,將極大地促進(jìn)柔性驅(qū)動(dòng)器、液晶彈性體和硅氧材料的創(chuàng)新和應(yīng)用。

  相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201915694。文章的第一作者為清華大學(xué)化學(xué)系仵雅禾博士,通訊作者為清華大學(xué)吉巖副教授。清華大學(xué)化學(xué)系危巖教授、楊洋博士、陳巧梅博士、錢(qián)曉杰博士參與了該研究。

  論文鏈接:

  Liquid crystalline soft actuators with switchable thermal reprogrammability, 

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201915694

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