加拿大舍布鲁克大学赵越教授团队Chem. Mater: 快速自移动并具有环境适应性的光控液晶驱动器
驱动器（actuator）通常需要不断地调控外界刺激进行交替开/关来实现连续的移动。近年来，更加智能的自移动型聚合物驱动器被开发出来；这类驱动器能在恒量的、持续的外界刺激条件下，进行连续的空间移动。比如，在具有恒定的温度的热台上，或者在恒定光照下，聚合物材料能自动并连续地行走或滚动。这类运动体现了两大特征，即自动性和连续性；两者皆为自然生物体系运动的基本特征，也是新一代人造聚合物驱动器所追求的性能。
近日, 加拿大舍布鲁克大学赵越教授团队开发了一种具有极快运动速度和环境适应的光控液晶驱动器。基于掺杂了碳纳米管的Diels-Alder动态液晶网络（CNT-LCDAN），该团队制备了具有多级扭转结构的纤维及弹簧驱动器。多级扭转的弹簧结构被证明能通过纤维的解捻来增强其的表观驱动应变和承载能力，并已应用于制备强大的人造肌肉。利用CNT-LCDAN的材料特性以及这种结构效应，本工作实现了低光强下的快速自滚动，多地形运动，甚至可直接在在自然阳光下连续滚动，以及能在自移动的同时通过快速的弹簧伸缩调节自身尺寸而顺利穿过途中的狭缝。
该工作中采用的LCDAN以动态的、热可逆的DA键作为交联点，允许材料在DA键解开后在室温下灵活地加工成复杂的，具有多级结构的几何形状；并通过DA键的重新形成将形变诱导的液晶排列自动锁住，实现多级结构的驱动器的制备。为实现自滚动，作者通过扭转拉伸至600%的纤维至饱和扭转密度，然后再以相同或相反的扭转方向将其缠绕成弹簧的形状来分别制备同手性和异手性弹簧致动器。扭转的CNT-LCDAN纤维驱动器能在不同光强下实现多阶段运动特征，并实现沙、水表面以及斜坡上的自滚动（视频1）。而多级扭转的CNT-LCDAN弹簧驱动器能实现更高性能、低光强、以及环境适应性自滚动运动。CNT-LCDAN弹簧驱动器具有多尺度的分级结构，包括弹簧结构、纤维扭转结构和介晶的定向排列结构。同手性弹簧致动器可以在加热时可逆地收缩并在冷却时伸展，而异手性弹簧形变趋势正好相反。弹簧执行器的伸缩迅速、幅度大，如同手性弹簧在54°C时具有900%的驱动应变。这是由于，一方面，液晶材料能提供更大的基于液晶排列有序度的本征可逆驱动应变，另一方面，多级扭转的弹簧结构通过纤维的可逆解捻可进一步放大驱动器表观的可逆驱动应变。持续暴露在321 mW cm-2的近红外光下，同手性弹簧能以22 mm s–1快速自滚动（视频1）。
视频1. 弹簧液晶驱动器在近红外光下高速滚动
更有趣的是只需简单地打开一个具有一定光强的可见光灯，同手性弹簧驱动器就能自发连续地滚动 （图1a，视频2）。此外，该运动很稳定，能在不同材质及表面上实现，包括沙子、水和人的手掌（图1b）。运动所需的光源及光强均能控制在对人类安全的范围之内，甚至可以直接由自然太阳光驱动在深色纸面上自移动（图1c）。
图1. (a) 弹簧液晶驱动器在普通可见光灯下自滚动。（b）通过可见光的驱动弹簧液晶驱动器在手掌上滚动。（c）液晶弹簧驱动器在深色的纸面上直接通过太阳光驱动。
视频2. 弹簧液晶驱动器在可见光下稳定滚动
更有趣的是，弹簧驱动器能在光控制下快速并可逆地收缩，因此，能允许在自滚动过程中对其尺寸进行动态光调控，并顺利穿越障碍物（图2，视频3）。
图2. 弹簧液晶驱动器通过大幅收缩长度来穿越狭窄的狭缝。
视频3. 弹簧液晶驱动器通过大幅收缩长度来穿越狭窄的狭缝。
以上成果以Dynamic Liquid Crystalline Networks for Twisted Fiber and Spring Actuators Capable of Fast Light-Driven Movement with Enhanced Environment Adaptability为题发表在美国化学会旗下期刊Chemistry of Materials上。该论文的通讯作者是加拿大舍布鲁克大学赵越教授。第一作者是博士生江智超。该工作获得了加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）, 魁北克自然科学与技术研究基金（FRQNT）以及中国留学基金委（CSC）的项目支持。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.1c02073
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