清华大学吉岩副教授系统评述：含可交换动态共价键的液晶聚合物驱动器

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驱动器可以在外界刺激的作用下产生变形或者运动，从而将外界能量转化为机械能。相比于传统的刚性驱动器，聚合物柔性驱动器具备广泛可调的机械、热、光学性能，并且具有使用安全、操作简单(自适应性)、低成本、轻质、低能耗、耐损伤、大形变以及高运动复杂性等优势。因此，聚合物柔性驱动器有望用于微机械系统、人工肌肉、医疗设备、柔性电子产品、可穿戴设备以及软机器人等高新技术领域。在众多柔性聚合物材料中，液晶聚合物网络(Liquid crystalline polymer networks, LCNs)已经成为制备聚合物柔性驱动器的理想选择。此类材料同时具备熵弹性以及液晶有序性，集感知、驱动和控制于一身，在特定外界刺激下会自发产生可逆宏观形变。

图1 LCNs在外界刺激下的可逆形变机理示意图

LCNs产生大的自发形变需要对液晶基元宏观取向排列，得到单畴LCNs。所谓单畴LCNs，是指LCNs交联网络内部的大部分液晶基元都沿单一方向排列。传统的LCNs为永久交联的热固性材料，其一旦固化完全，就无法进行重加工。因此，传统的制备单畴LCNs的方法都是在材料完全交联之前进行液晶基元的取向。研究者也提出了一系列不同的制备单畴LCNs的方法，如两步交联法、原位光照取向法、外场法、软光刻、喷墨印刷以及微流体等。但这些取向方法除了存在成功率低、取向度低和材料尺寸受限等缺陷，所得材料基本为条状或者薄膜状，复杂三维(3D)形状LCNs驱动器的制备更是难以实现，而聚合物柔性驱动器的功能很大程度上依赖于其形状变化，形状的复杂度对应用至关重要。

可交换动态共价键是一类在特定外界刺激下能可逆断裂-重新生成的共价键，并且不会发生不可逆的副反应。自2013年以来，研究者提出了一种全新的制备单畴LCNs的方法，即将可交换动态共价键引入LCNs中，利用交换反应实现材料“先交联后拉伸取向”。该液晶基元的取向是在完全固化后进行的，在特定外界刺激下用外力拉伸，利用交换反应实现网络拓扑结构重排，将拉伸所致的液晶基元取向固定，从而得到单畴LCNs。该方法克服了传统制备方法成功率低、取向度低以及材料尺寸受限等缺陷，且由于动态共价键赋予交联网络的可加工性能，材料可以灵活设计为复杂的3D形状，实现可逆3D形状驱动器的制备，很大程度上地推进了LCNs驱动器实际应用的可能性。

吉岩副教授课题组在《高分子学报》2019年第5期“动态共价键高分子”专辑(即将发表)的专论中对已报道的含可交换动态共价键的不同代表性LCNs的体系进行了详细介绍，首先介绍了可交换动态共价键的引入对各种不同LCNs体系取向方法带来的变化；其次介绍了可交换动态共价键的引入赋予LCNs不同于传统永久交联LCNs的新功能，如复杂3D形状可逆驱动、重复编程取向、自愈合修复等；最后，对含可交换动态共价键的LCNs驱动器未来面临的挑战及发展方向进行了展望。

图2  可交换动态共价键赋予LCNs的全新性能

链接地址

http://www.gfzxb.org/fileGFZXB/journal/article/gfzxb/newcreate/gfzxb20190004jiyan.pdf      

doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2019.19004

来源：高分子学报

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