宾夕法尼亚大学杨澍教授课题组《Adv. Mater.》：在液晶弹性体编程上取得新进展

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实现液晶弹性体内部液晶基元取向的控制是实现对其变形行为调控的关键。常见的液晶取向方法例如拉伸二次交联取向，磁场/电场辅助取向，表面模板取向和挤出取向都无法解耦网络合成与取向调控两个过程。同时由于液晶弹性体网络的共价交联属性，通过上述方法引入的液晶基元难以实现擦除与重编程。在液晶弹性体网络中引入动态共价键可以在一定程度上解决上述问题，但是这些方法也使得化学合成变得更加复杂，同时液晶弹性体的网络结构也会因为动态共价键的可逆反应而发生不可逆的改变。因此，设计一种简单而普适的液晶基元调控策略变得十分必要。

为此，宾夕法尼亚大学的杨澍教授团队提出了一种全新的熵编程的取向方法。通常来说，在液晶弹性体的合成过程中，研究者们会尽量避免引入溶剂而导致液晶基元取向的破坏。但是，本文反其道而行之，通过在液晶前驱体中加入一定比例的良溶剂制备了完全交联的各向同性液晶油凝胶 （如图1a所示）。对于该熵编程的取向方法而言，液晶基元的排列取决于油凝胶的溶剂挥发方式。如下图1b所示，由于溶胀本身是各向同性的，因此，当液晶油凝胶在挥发溶剂的过程中不受到任何外力的作用时（自由挥发），由于液晶基元的分子刚性导致的微孔结构呈无序状态，同时液晶基元也为各向同性状态。但是当该液晶油凝胶在单轴拉伸的状态下挥发溶剂时（变形挥发），所得到的微孔将垂直于拉伸方向取向而液晶基元则会沿着拉伸方向取向。

图1. 液晶油凝胶的合成与挥发编程

由于液晶基元在挥干后的链活动性受限，因此所形成的微孔结构具有良好的稳定性可以充当固定液晶基元取向的物理交联点，单轴拉伸挥发溶剂的LCE膜可以有稳定的约100%的可逆驱动。而作为对照组，自由挥发的样条不具有驱动行为。通过上述的方法研究者可以在单个薄膜中引入各种非线性驱动。如图3a所示，起始的矩形液晶油凝胶可以通过在溶剂挥发过程中施加相应的变形而编程为三种不同的3D结构并且具有可逆变形行为，包括弯曲，波浪和扭转等。同时由于固定液晶基元的微孔结构可以通过将薄膜再次溶胀而消除，因此通过溶剂挥发所引入的液晶基元取向和临时形状可以根据应用场景进行可逆的擦除与重编程，如图3b所示，不同的可逆变形（伸长/收缩，弯曲和扭转）可以在单个薄膜中逐步实现。

图2 液晶网络的变形行为探究

图3 液晶网络变形行为的引入与重编程

由于上述的编程过程对材料网络的化学组成无特定要求（仅需要引入一定比例的良溶剂），因此上述方法可以适用于不同的液晶单体（例如RM82和RM257）和不同扩链剂的任意组合。同时由于上述方法的液晶取向过程发生于网络完全交联后，因此实现了液晶网络合成和液晶基元调控的解耦。基于上述特性，研究者利用折纸和剪纸技术制备了如图4的三维纸鹤 （a）和金字塔（b）结构，并通过特定挥发赋予其可逆变形行为。

图4 液晶折纸纸鹤与剪纸金字塔

为了更进一步丰富液晶弹性体的变形行为，研究者利用数字化光处理技术（DLP）对液晶油凝胶进行3D打印，然后通过变形挥发的方式对其形状和液晶基元进行编程，如图5a所示。值得指出的是，DLP技术相较于现有的常用于液晶弹性体3D打印的墨水直写技术（DIW）具有更快的制备速度和更高的分别率，但是其由于打印机理的限制在之前的研究中难以应用于液晶弹性体的3D打印。基于溶剂挥发的熵编程技术，研究者利用DLP技术实现了具有三维复杂结构和复杂变形的液晶弹性体的构建，同时可以根据应用场景实现对变形行为的重编程。

图5 液晶网络的DLP打印

相关论文发表在《Advanced Materials》上，其中金斌杰博士为第一作者，宾夕法尼亚大学杨澍教授为通讯作者。同时得到了浙江大学赵骞教授课题组的支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107855

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