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清華危巖教授/北大陳爾強(qiáng)教授/清華吉巖副教授《Adv. Mater.》:可自發(fā)長成驅(qū)動(dòng)器的彈性體
2023-01-07  來源:高分子科技

  眾所周知,當(dāng)彈性體被拉伸并固定兩端時(shí),其長度將保持不變。無論這一過程是彈性形變還是塑性形變,當(dāng)撤去外力后,彈性體不會(huì)超過變形時(shí)達(dá)到的長度(圖1)。另一方面,從彈性體到柔性驅(qū)動(dòng)器的加工過程往往需要外界刺激或能量輸入。很少有合成材料能脫離這兩個(gè)范疇。


圖1典型的彈性形變和塑性形變以及自伸長過程


  近期,清華大學(xué)危巖教授課題組、北京大學(xué)陳爾強(qiáng)教授課題組和清華大學(xué)吉巖副教授課題組報(bào)道了一種能夠像自然界植物一樣“生長”的彈性體,并且最終成為能夠可逆形變的柔性驅(qū)動(dòng)器。該彈性體施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)變并固定兩端后,室溫放置,在無外界干擾下,會(huì)自發(fā)伸長至一個(gè)超過預(yù)應(yīng)變的長度,形成顯著的拱起(圖1)。一旦“生長”開始,即使撤去外力,伸長的過程依然會(huì)持續(xù)進(jìn)行。伸長后的彈性體在無外界干擾下最終會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的柔性驅(qū)動(dòng)器,并且可以重新編程可逆形變模式。值得注意的是,伸長及形成驅(qū)動(dòng)器的過程無需任何額外的操作,也無需外界刺激或能量輸入。這現(xiàn)象有望促進(jìn)對動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)和液晶彈性體的進(jìn)一步理解,以及在柔性機(jī)器人以外的領(lǐng)域促進(jìn)仿生柔性驅(qū)動(dòng)器的新設(shè)計(jì)和高性能應(yīng)用。該工作以“Elastomers grow into actuators”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。文章的第一及共同第一作者分別是清華大學(xué)博士生梁歡和博士后仵雅禾。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。 


圖2彈性體的合成與自伸長過程做功


  該材料是一種液晶彈性體(LCE,圖2),交聯(lián)密度和預(yù)拉伸程度會(huì)影響伸長效果。伸長拱起的過程可以向外做功輸出能量(圖2),例如用來在遠(yuǎn)程無接觸下實(shí)現(xiàn)電路連接。生長后成為驅(qū)動(dòng)器的LCE具有良好的單疇取向,并且形變循環(huán)1000次后,驅(qū)動(dòng)率依然保持穩(wěn)定。 


圖3.異常相的表征


  作者們在其他LCE中沒有觀察到上述自伸長現(xiàn)象(圖3a)。可自伸長的LCE退火后的樣品呈白色樣品,只有在加熱下才表現(xiàn)出明顯的雙折射(圖3b、3d),而正常液晶在低溫下才表現(xiàn)出雙折射。伸長后,其雙折射仍然比正常的單疇LCE弱得多。廣角X射線散射(WAXS)表明這種異常相可能是該LCE的穩(wěn)定基態(tài),且其液晶疇可能非常小。通過跟蹤自伸長過程,作者們推測機(jī)理如下:在新制備的樣品拉伸過程中產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力并儲(chǔ)存了能量,隨著時(shí)間的推移,在存儲(chǔ)能量釋放的驅(qū)動(dòng)下,液晶疇取向的內(nèi)部能壘被慢慢克服,同時(shí)出現(xiàn)低雙折射的異常相態(tài);將預(yù)拉伸的狀態(tài)保持?jǐn)?shù)小時(shí)后,液晶疇的取向度增加,使得彈性體樣品的自然長度增加,產(chǎn)生自伸長現(xiàn)象。此外,當(dāng)LCE開始伸長時(shí),分子鏈形成的發(fā)夾結(jié)構(gòu)可以“凍結(jié)”中間狀態(tài)并固定彈性體的形狀,因此撤去外力不影響繼續(xù)伸長。此時(shí)存儲(chǔ)的能量仍然存在,這是液晶疇持續(xù)取向和材料自伸長的主要驅(qū)動(dòng)力。


  柔性驅(qū)動(dòng)器的形成和重塑形可能與在此體系中通常被忽視的酯交換反應(yīng)有關(guān)(圖4)。在合成過程中使用的二丙胺可作為酯交換的催化劑,并且根據(jù)“時(shí)間-溫度等效原理”,即使在較低的溫度下,只要時(shí)間足夠長,酯交換反應(yīng)也會(huì)逐漸發(fā)生。獲得的驅(qū)動(dòng)器可通過合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多種形變模式與多種功能(圖5),在仿生等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。 


圖4.酯交換的證明


 圖5. 通過自伸長獲得的多種柔性驅(qū)動(dòng)器


  文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209853

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