搜索:  
復旦大學俞燕蕾教授課題組綜述:光致形變液晶高分子及其柔性執行器
2019-11-13  來源:高分子科技

  模仿生物的刺激響應行為(如動物的趨光性、植物的向濕性等)構筑智能材料是新型功能材料發展的重要方向之一,有望應用于生命醫療、航空航天、軍事探測等多種領域。液晶彈性體兼具優異的協同作用和高分子網絡的彈性,能夠在熱、電、磁、光等外界刺激下,通過改變液晶基元的排列而產生各向異性的形狀或尺寸變化。光是一種清潔能源,可以進行遠程、定點、精確操控,并且可以通過改變波長、強度、偏振方向等參數進行調控,因此在眾多刺激方式中脫穎而出,使光致形變成為液晶高分子研究中的熱點課題。目前研究最為廣泛的是含偶氮苯基團的光致形變液晶高分子,偶氮苯可以在光的作用下實現順反異構化的轉變,光化學反應引起的分子結構變化可以在液晶基元協同效應的作用下進一步放大為材料的宏觀形變。

  近日,復旦大學材料科學系俞燕蕾教授課題組應邀撰寫了題為“Photodeformable Azobenzene-Containing Liquid Crystal Polymers and Soft Actuators”的綜述論文,梳理總結了近十幾年來含有偶氮苯基團的光致形變液晶高分子及其柔性執行器的重要發展歷程和趨勢,并關注通過仿生設計實現器件功能化的新思路。該論文最近在線發表在Advanced Materials期刊上(DOI: 10.1002/adma.201904224)。

  影響液晶高分子光致形變性能的核心因素主要有兩點:一是液晶分子的取向方式;二是材料的加工性能。該綜述首先系統介紹了取向對光致形變的影響(圖1)。通過液晶分子平行、垂直、雜化、螺旋等不同的排列方式,可以實現宏觀執行器拓撲結構變化、彎曲、扭曲以及滾動等形變形式,體現了液晶高分子在多尺度協同變化以及微觀結構-宏觀性能調控方面的優越性。同時,交聯網絡結構作為光致形變液晶高分子中的雙刃劍,一方面提高了材料的力學強度和形變性能,另一方面也制約了復雜光控執行器的加工。因此,文章詳細梳理了改善光致形變液晶高分子加工性能的研究進展。為了解決材料不溶不熔的問題,后交聯體系、動態交聯體系和非化學交聯體系應運而生。其中非化學交聯體系通過高度有序的液晶排列以及高分子鏈纏結形成物理交聯,不僅兼容溶液、熔融、旋涂、輥壓等通用高分子加工方法,還具有強韌的力學性能和優良的光致形變性能,可制備成一維(纖維)、二維(薄膜)以及三維(微管)的各種光控執行器并實現微流體輸運等特定功能(圖2)。同時,該材料還能與天然閃蝶翅膀、醫用EVA材料完美復合,賦予非響應材料光響應性能。由此可見,設計和制備全新結構的液晶高分子是從根本上提高光致形變液晶高分子材料加工性能的有效手段,這也是該領域未來重點發展的方向。

圖1. 常見的液晶取向和多種光致形變方式。

圖2. (a) 光致形變線型液晶高分子的化學結構;(b) 微管在梯度光照下由圓筒形變為圓錐形,驅動液體向窄端移動,撤銷光照后液體運動停止;(c) 不同形狀的微管執行器;(d) 光控液體在直形微管中的運輸。

  光致形變液晶高分子可以通過改變分子取向實現復雜形變,如彎曲、扭曲、螺旋等,為微型執行器的制備奠定了堅實的材料基礎。此外,光致形變液晶高分子材料在能量收集、自清潔表面、傳感器等領域也具有廣闊的應用前景。

  最后,作者對這一領域未來的重點研究方向進行展望,例如材料加工性能與工藝的改進為可編程的液晶聚合物發展提供了新的機遇。編程過程可能涉及到很多方面,如液晶分子取向的調控、幾何形狀和組成的特殊設計等等,甚至可以將光進行編程來實現執行器的程序化形變。相信這篇綜述能對液晶高分子材料及柔性執行器領域的研究人員有所幫助。

  該論文的第一作者為復旦大學材料科學系博士生龐馨蕾,通訊作者為俞燕蕾教授,論文得到國家自然科學基金委(21734003)和上海市教育委員會(2017-01-07-00-07-E00027)的資助。

  論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.201904224

版權與免責聲明:中國聚合物網原創文章。刊物或媒體如需轉載,請聯系郵箱:[email protected],并請注明出處。
(責任編輯:xu)
】【打印】【關閉

誠邀關注高分子科技

更多>>最新資訊
更多>>科教新聞
澳洲幸运8开奖数结果