清华大学 化学系吉岩团队使用“从布到衣”法制备柔性驱动器
2024/06/04
650近期，清华大学化学系生命有机磷化学及化学生物学教育部重点实验室吉岩团队在液晶弹性体柔性驱动器领域取得了重要进展。该团队提出了一种简便的“从布到衣”制备柔性驱动器的方法，通过将液晶弹性体（LCEs）的滞后行为与动态共价键的交换反应相结合，大幅降低了柔性驱动器的制备门槛。由于滞后行为，LCEs（可类比于“布”）在拉伸和释放后能够有效地长时间保持目标形状。随后，样品能够通过交换反应在常温下成为柔性驱动器（可类比于“衣服”）。作为一种后合成方法，此策略有效地将LCEs材料和柔性驱动器的生产过程分离开来。LCEs可以由工厂或生产商进行大规模批量生产，并且可以像布卷一样存储以备后续应用。当需要时，这些LCEs可以根据需要定制成柔性驱动器。这种策略为制备柔性驱动器提供了一个稳健、灵活和可扩展的解决方案，有望实现大规模生产和普适化应用。
图1.柔性驱动器“从布到衣”策略的制备过程示意图
受自然界生物的启发，柔性驱动器有望用于柔性夹持器、人工肌肉、可穿戴电子设备和生物医疗器件等新兴领域。然而，它们的制备过程需要特定的仪器、强刺激或专业操作技能，通常只能在实验室或少数企业中进行，难以批量化生产和普适化应用。目前尚缺乏一种柔性驱动器的自由形成制备方法。
该研究中的LCEs因其出色的滞后行为而被选为“布”。LCEs的滞后行为源于介晶的π-π堆积引起聚合物链之间的额外向列相互作用，导致内部网络约束。LCEs的滞后行为使其在拉伸-松弛后呈现残余应变。沿外力拉伸轴的局部液晶取向过程中指向矢的偏转使其能够吸收大量机械能，从而确保了LCEs经历变形后的应变历史即使在卸载外部应力后也能保持良好。过往仅使用动态共价键的方法，无法实现这种策略。获得的LCEs材料形变至目标形状后，立即撤去外力，形状能够保持。在环境温度下保持一段时间，此形状即可永久记忆。
图2.“布”（LCEs）的合成与“衣”（柔性驱动器）的制备过程
图3.液晶弹性体的取向及其内在动态特性
这种策略固有的灵活性使得其可以独立控制不同区域的取向，就像一块原始的“布”可以转变成多种类型的“衣”一样。这促进了从单一初始形状衍生出不同的变形模式的实现。此外，在柔性驱动器的同一区域叠加多种方向的情况较为罕见。该工作通过在相同材料上叠加单轴和折叠取向，制备了一种独特的折叠扇形柔性驱动器。另一方面，类似于将“衣”改造并重新用于不同的服装一样，该工作的柔性驱动器由于其动态特性，可以重新编辑驱动模式。类似于“衣”可能需要局部图案，常见工具也可以用于柔性驱动器多样化形变模式的局部设计。
图4.柔性驱动器通过“布料到类衣服”的策略制备的演示
图5.利用胶带制备柔性驱动器的演示
该研究有望推动柔性驱动器从实验室走向未来多功能应用和大规模生产。购买“布”后，普通民众可以自由地为各种场景量身定制柔性驱动器，类似于将布料制成各种家居织物和日常用品的方式。对于工业制造而言，可以形成简化且成熟的生产体系，以便控制和协调，实现连续批量制造。这种制备策略有望为学术界、工业界和日常生活等各个领域的先进柔性驱动器开辟相当大的发展空间。
5月9日，相关研究成果以“‘从布到衣’柔性驱动器制备方法”（“Cloth-to-clothes-like” fabrication of soft actuators）为题，在线发表于《先进材料》（Advanced Materials）。
清华大学化学系副教授吉岩为论文通讯作者，梁欢博士为论文第一作者。研究得到国家自然科学基金委的资助。
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