中国青年学者一作最新《AM》：线D液晶弹性体驱动器！

  近年来，智能聚合物材料的研发非常关注。这些新材料因具备对外界刺激产生动态响应的卓越功能特性，远超传统静态材料。从人工肌肉到柔性机器人，再到智能纺织品和生物医疗设施，这些智能聚合物正在开启多样的新应用领域。液晶弹性体(LCE)作为其中一种智能聚合物材料，因其在光和热等刺激下可以有效的进行各向异性形变的特性而备受瞩目。然而，迄今为止绝大多数 LCE驱动器都是平面的。尽管有研究利用拉伸薄膜聚合定型的方法，或将薄膜覆盖在有结构的基底上再进行光聚合的方法来制造三维结构，但这一些方法通常工艺复杂冗长且最终器件的尺寸会受限于光聚合的要求，难以实现大规模工业化生产。因此，找到一种能快速、高效且可规模化制备三维液晶弹性体驱动器的方法，成为了未来应用的关键。

  近日，荷兰埃因霍温理工大学Albert Schenning团队提出利用真空热成型（VT）工艺将一种新型热塑性液晶弹性体加工成厘米尺度的半球体。该工艺通过将热塑性材料吸入特定的模具中来制备复杂的三维形状，无需后续的光聚合步骤，显著地提升了器件生产效率和可扩展性。依此制备的半球体在由室温加热到110°C时可实现约20%的高度变化，且可从光学不透明状态切换为透明状态，表现出物理和光学性能上的高度可逆性。此外，通过掺杂不同功能性染料，这些半球体在光收集和再分配装置、可控液体容器以及光控运输设备等领域展现出多样化的应用前景。相关研究以“Vacuum Thermoforming of Optically Switchable Liquid Crystalline Elastomer Spherical Actuators”为题发表于国际知名期刊《Advanced Materials》，第一作者为荷兰埃因霍温理工大学博士研究生岳岚嵩，通讯作者为荷兰埃因霍温理工大学Albert Schenning教授和Michael Debije教授。

  在真空热成型的过程中，研究者首先将约0.5mm厚的液晶弹性体薄膜放置于中部镂空的半球形模具上，通过真空泵在模具底部施加真空吸力，使薄膜在室温下被吸入模具中形成初步形状；接着将整个模具加热至高于氢键的解离温度130°C，并保持30分钟，以确保材料充分软化并形成所需的半球形结构。随后，待模具冷却至室温，脱模后即可得到具有一定分子取向的LCE半球体。

  在加热过程中，随着温度升至液晶分子的向列相到各向同性相的转变温度（Tni），LCE半球体在高度上产生了约20%的收缩，且从不透明状态逐渐变为透明状态，使其下方的物体变得可见。待冷却至室温，半球体又可恢复其初始尺寸和不透明状态，该响应在经过多次热循环后依旧保持不变，表现出高度的可逆性和稳定性。

  图3 通过有限元模拟及2D-XRD对LCE在真空热成型后的LCE分子取向分析

  研究者通过利用有限元模拟和2D-XRD分析表明，LCE在形成半球体过程中会经历双轴应变，而不同位置所经历的应变分布不一样，其中在半球顶点附近LCE经历等双轴应变，导致分子无显著的优先取向，散射信号较弱；而在半球的中部和底部则经历不等量的双轴应变，使分子沿着极轴方向更具优先取向，显示出更强的散射信号。

  图4 基于热塑性LCE的自愈合性能，两个LCE半球体可结合成一个完整的球体

  该半球体具备优秀能力的高弹性和记忆性，即便在室温下被团成实心球体或被机械拉伸成一张平整的薄膜，都可通过加热后降温恢复至初始的半球形。并且两个半球体能够最终靠加热边缘部分结合形成一个完整的球体，该球体在110°C时呈透明状并略微收缩，显示出LCE球体的光学和尺寸变化的可逆性。

  图5 掺杂偶氮苯的 LCE半球体在局部紫外光照射下发生形变，实现对内部液体的倾倒

  此外，研究者通过设计一系列的演示器件，展示了LCE半球体在掺杂不同功能性材料后的创新应用。如掺杂偶氮苯的 LCE半球体在紫外光照射下发生局部可逆形变，以此来实现对内部液体的倾倒；掺杂荧光染料的LCE半球体可通过光学引导将入射光引导至其边缘，有望应用于太阳能电池领域，提高能量转换效率；掺杂光热转化材料的LCE半球体暴露在红外光下时，球体表面温度会迅速上升至100°C以上，从而引发材料的热响应行为。当球体被放置在异丙醇液面上，并从一侧照射红外光时，由于马兰戈尼效应，球体会向远离光源的方向移动。

  总体而言，研究者向我们展示了首次通过真空热成型工艺成功制备了功能性的3D液晶弹性体，该技术为大规模生产具有复杂三维形状的液晶弹性体开辟了现实可能性。此外，通过结合功能性染料，研究者展示了LCE材料在智能驱动器、光学器件和光控传输等领域中的广阔应用前景，为未来液晶弹性体材料的设计和加工提供了创新的方法，有望大范围的应用于需要复杂三维结构和动态响应性能的高科技领域。

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