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清華大學吉巖課題組《Nat. Commun.》：成型后調(diào)控液晶彈性體驅(qū)動器的驅(qū)動溫度
2023-06-15  來源：高分子科技

  液晶彈性體（LCEs）能夠在熱、光、電等刺激下，在液晶相-各向同性相轉(zhuǎn)變時，可以發(fā)生顯著的可逆變形。作為優(yōu)異的軟驅(qū)動器材料，其在人工肌肉、柔性機器人、可穿戴設備等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，近年來液晶彈性體的發(fā)展非常迅速。一般情況下，驅(qū)動溫度由液晶相-各向同性相轉(zhuǎn)變溫度(Ti)確定，材料合成之后，其驅(qū)動溫度已經(jīng)確定無法改變。驅(qū)動溫度的調(diào)控需要改變材料的分子設計，從合成開始改變材料的化學組成，從而改變Ti, 才可以獲得不同的驅(qū)動溫度。


  近期，清華大學化學系吉巖副教授課題組發(fā)現(xiàn)，通過對動態(tài)共價液晶彈性體進行退火，得到新的拓撲結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)可以被動態(tài)共價鍵的交換反應固定下來，從而在材料成型后不改變材料的化學組成，即可調(diào)控驅(qū)動器的驅(qū)動溫度。該工作以“Enabling liquid crystal elastomers with tunable actuation temperature”為題發(fā)表在《Nat. Commun.》上。文章的第一作者是清華大學博士生姚艷錦。該研究得到國家自然科學基金委的支持。 


圖1. 液晶彈性體在退火溫度(Ta)分別為110°C（Ta < Ti0)和180°C （Ta > Ti0)時Ti隨時間的變化


  以含酯鍵的液晶類玻璃高分子xLCE-BP為例，文章展示了通過動態(tài)酯交換反應和退火共同作用，可以實現(xiàn)對xLCE-BP的Ti進行大幅度的調(diào)控。如圖1所示，差示掃描量熱法(DSC)數(shù)據(jù)顯示，退火溫度(Ta)小于初始Ti(Ti0)時，xLCE-BP的Ti會升高；相反，退火溫度小于初始Ti0時，xLCE-BP的Ti值隨著退火時間的增加而降低。隨著退火時間的延長，Ti峰逐漸變寬，最終幾乎與玻璃化轉(zhuǎn)變重疊。而且退火溫度越高，Ti降低速度越快。例如，從DSC升溫曲線看，在Ta= 140℃下5天，Ti從114 ℃下降到89 ℃，高于相同xLCE-BP在180℃下退火4天獲得的77℃。


  通過退火調(diào)控xLCE-BP (Ti0=114 ℃)的Ti的過程是可逆的，如圖2所示，在80 ℃ (Ta < Ti0)下再退火30天后，樣品在180℃下退火3小時(新Ti0 = 103 ℃)和6小時(新Ti0 = 95 ℃)后，Ti分別上升到122 ℃和105 ℃。同樣，在180 ℃下退火12小時(新Ti0 = 88 ℃)、1天(新Ti0 = 81 ℃)、2天(新Ti0 = 80 ℃)、4天(新Ti0 = 77 ℃)的樣品，在65 ℃ (Ta < Ti0)下退火50天后，Ti值也分別上升到92 ℃、82 ℃、83 ℃、79 ℃。由于退火是在低溫下進行的，在低溫下，酯交換反應緩慢，所以這種情況導致Ti增加相對較小且緩慢。 


圖2.Ti的可逆調(diào)控


  對在拉伸試樣的同時進行退火，可以得到單疇xLCE-BP。與多疇樣品類似，在不同溫度下，不同退火時間可以得到具有不同Ti的單疇xLCE-BP。如圖3所示，采用多疇xLCE-BP（Ti0 = 114 ℃）在180 ℃下拉伸24h和3h后退火得到Ti為90 ℃ (Ti1)和112 ℃（Ti2）的樣品。采用xLCE-BP（Ti0 =114 ℃）在110 ℃下拉伸3 d、10 d和30 d后，分別退火得到Ti含量為122 ℃（Ti3）、135 ℃（Ti4）和152 ℃（Ti5）的樣品。五個樣品放在一起。當溫度達到100 ℃時，只有Ti為90 ℃的試樣收縮。隨著溫度的升高，在120 ℃、130 ℃、140 ℃、160 ℃時，Ti為112 ℃、122 ℃、135 ℃、152 ℃的試樣依次收縮。


圖3 同一種組成的xLCE-BP通過退火獲得5種具有不同驅(qū)動溫度的驅(qū)動器


  全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39238-2

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