复旦大学俞燕蕾教授课题组综述：光致形变液晶高分子及其柔性执行器
模仿生物的刺激响应行为（如动物的趋光性、植物的向湿性等）构筑智能材料是新型功能材料发展的重要方向之一，有望应用于生命医疗、航空航天、军事探测等多种领域。液晶弹性体兼具优异的协同作用和高分子网络的弹性，能够在热、电、磁、光等外界刺激下，通过改变液晶基元的排列而产生各向异性的形状或尺寸变化。光是一种清洁能源，可以进行远程、定点、精确操控，并且可以通过改变波长、强度、偏振方向等参数进行调控，因此在众多刺激方式中脱颖而出，使光致形变成为液晶高分子研究中的热点课题。目前研究最为广泛的是含偶氮苯基团的光致形变液晶高分子，偶氮苯可以在光的作用下实现顺反异构化的转变，光化学反应引起的分子结构变化可以在液晶基元协同效应的作用下进一步放大为材料的宏观形变。
近日，复旦大学材料科学系俞燕蕾教授课题组应邀撰写了题为“Photodeformable Azobenzene-Containing Liquid Crystal Polymers and Soft Actuators”的综述论文，梳理总结了近十几年来含有偶氮苯基团的光致形变液晶高分子及其柔性执行器的重要发展历程和趋势，并关注通过仿生设计实现器件功能化的新思路。该论文最近在线发表在Advanced Materials期刊上（DOI: 10.1002/adma.201904224）。
影响液晶高分子光致形变性能的核心因素主要有两点：一是液晶分子的取向方式；二是材料的加工性能。该综述首先系统介绍了取向对光致形变的影响（图1）。通过液晶分子平行、垂直、杂化、螺旋等不同的排列方式，可以实现宏观执行器拓扑结构变化、弯曲、扭曲以及滚动等形变形式，体现了液晶高分子在多尺度协同变化以及微观结构-宏观性能调控方面的优越性。同时，交联网络结构作为光致形变液晶高分子中的双刃剑，一方面提高了材料的力学强度和形变性能，另一方面也制约了复杂光控执行器的加工。因此，文章详细梳理了改善光致形变液晶高分子加工性能的研究进展。为了解决材料不溶不熔的问题，后交联体系、动态交联体系和非化学交联体系应运而生。其中非化学交联体系通过高度有序的液晶排列以及高分子链缠结形成物理交联，不仅兼容溶液、熔融、旋涂、辊压等通用高分子加工方法，还具有强韧的力学性能和优良的光致形变性能，可制备成一维（纤维）、二维（薄膜）以及三维（微管）的各种光控执行器并实现微流体输运等特定功能（图2）。同时，该材料还能与天然闪蝶翅膀、医用EVA材料完美复合，赋予非响应材料光响应性能。由此可见，设计和制备全新结构的液晶高分子是从根本上提高光致形变液晶高分子材料加工性能的有效手段，这也是该领域未来重点发展的方向。
图1. 常见的液晶取向和多种光致形变方式。
图2. (a) 光致形变线型液晶高分子的化学结构；(b) 微管在梯度光照下由圆筒形变为圆锥形，驱动液体向窄端移动，撤销光照后液体运动停止；(c) 不同形状的微管执行器；(d) 光控液体在直形微管中的运输。
光致形变液晶高分子可以通过改变分子取向实现复杂形变，如弯曲、扭曲、螺旋等，为微型执行器的制备奠定了坚实的材料基础。此外，光致形变液晶高分子材料在能量收集、自清洁表面、传感器等领域也具有广阔的应用前景。
最后，作者对这一领域未来的重点研究方向进行展望，例如材料加工性能与工艺的改进为可编程的液晶聚合物发展提供了新的机遇。编程过程可能涉及到很多方面，如液晶分子取向的调控、几何形状和组成的特殊设计等等，甚至可以将光进行编程来实现执行器的程序化形变。相信这篇综述能对液晶高分子材料及柔性执行器领域的研究人员有所帮助。
该论文的第一作者为复旦大学材料科学系博士生庞馨蕾，通讯作者为俞燕蕾教授，论文得到国家自然科学基金委（21734003）和上海市教育委员会（2017-01-07-00-07-E00027）的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.201904224
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