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清华大学吉岩副教授团队《Angew. Chem.》:可控“开关”液晶弹性体驱动器的热可重编辑性
2020-01-08  来源:高分子科技

  智能器件在各类新兴和成熟领域(如,能源、航空航天和生物医学)的飞速发展,带来了对高性能软体驱动器(soft actuators)的迫切需求。其中,具有热可重编辑性(Thermal reprogrammability)的软体驱动器,不仅能够灵活更改结构或驱动模式而不受自身形状限制,并且有望用以构建新一代具有高精确度和优异形变能力的自适应设备。然而,这种看似迷人性能却往往以牺牲性能的稳定性,如驱动稳定性、尺寸稳定性为代价。热可重编辑性和与驱动器性能稳定性之间致命的矛盾问题,阻碍了高性能热适应性软体驱动器的进一步开发。

  近日,清华大学吉岩副教授及其研究团队,受电路控制启发,联想到如果热可重编辑性能像电路一样可灵活“开关”,即在需要进行形状、功能编辑的时候将其打开(ON),而在驱动器工作、储存的时候,又能将其完全关闭(OFF),那么以上矛盾问题便可迎刃而解。他们利用一种可淬灭的硅氧动态交换反应,借助“合成后溶胀”的处理方法,实现了反复“开关”液晶弹性体(LCEs)驱动器的热可重编辑性(图1,图2)。

图1 (a)可控“开关”液晶弹性体驱动器热可重编辑性的示意图;(b)阴离子调控的动态硅氧交换反应。

  这种“合成后溶胀”的处理方法,无需复杂的动态网络设计,便可将硅氧动态交换反应在极为常用的经典硅氧烷液晶弹性体中激活,实现由原本惰性的材料制备可编辑的三维复杂驱动器;而该动态网络又可以通过加热失活,即关闭热可重编辑性,驱动器驱动、尺寸、性能稳定性得到了很好的保证(图2,图3)。

图2 (a)硅氧液晶弹性体化学结构;(b)通过开关策略制备稳定的单畴液晶弹性体驱动器;(c)热驱动循环测试。

图3 从普通硅氧液晶弹性体出发通过“开关”策略制备三维驱动器

  即使在180下高温环境中放置超过72小时,材料的驱动性能也能保持不变。通过以上方法的迭代,这类驱动器可反复进行编辑、反复循环使用并且兼具卓越的稳定性(图4)。此外,利用黑色墨水进行部分图案化,热可重编辑性还能够被局部关闭,从而实现将完全不同的驱动模式无缝集成到一个致动器中,以执行更精细和复杂的任务(图5)。

图4 稳定驱动器的再次编辑、回收

图5 (a)有选择性关闭热可重编辑性的示意图;(b)勾状驱动器的热驱动,上部产生可逆伸缩驱动,下部产生可逆弯曲驱动;(c)勾状驱动器的光驱动,仅有下部对光响应产生驱动。

  这种开关策略普适性广、操作简便,能用于众多的硅氧聚合物网络,因此,过去诸多已知的具有独特、良好性能的材料均能够通过以上方法进行改性,从而制备出更多样的具有稳定性能的热可适应器件,将极大地促进柔性驱动器、液晶弹性体和硅氧材料的创新和应用。

  相关结果发表在Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201915694。文章的第一作者为清华大学化学系仵雅禾博士,通讯作者为清华大学吉岩副教授。清华大学化学系危岩教授杨洋博士陈巧梅博士、钱晓杰博士参与了该研究。

  论文链接:

  Liquid crystalline soft actuators with switchable thermal reprogrammability, 

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

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(责任编辑:xu)
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