清华危岩教授/北大陈尔强教授/清华吉岩副教授《Adv. Mater.》：可自发长成驱动器的弹性体

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众所周知，当弹性体被拉伸并固定两端时，其长度将保持不变。无论这一过程是弹性形变还是塑性形变，当撤去外力后，弹性体不会超过变形时达到的长度（图1）。另一方面，从弹性体到柔性驱动器的加工过程往往需要外界刺激或能量输入。很少有合成材料能脱离这两个范畴。

图1. 典型的弹性形变和塑性形变以及自伸长过程

近期，清华大学危岩教授课题组、北京大学陈尔强教授课题组和清华大学吉岩副教授课题组报道了一种能够像自然界植物一样“生长”的弹性体，并且最终成为能够可逆形变的柔性驱动器。该弹性体被施加适当的预应变并固定两端后，室温放置，在无外界干扰下，会自发伸长至一个超过预应变的长度，形成显著的拱起（图1）。一旦“生长”开始，即使撤去外力，伸长的过程依然会持续进行。伸长后的弹性体在无外界干扰下最终会形成一个稳定的柔性驱动器，并且可以重新编程可逆形变模式。值得注意的是，伸长及形成驱动器的过程无需任何额外的操作，也无需外界刺激或能量输入。这现象有望促进对动态共价化学和液晶弹性体的进一步理解，以及在柔性机器人以外的领域促进仿生柔性驱动器的新设计和高性能应用。该工作以“Elastomers grow into actuators”为题发表在《Advanced Materials》上。文章的第一及共同第一作者分别是清华大学博士生梁欢和博士后仵雅禾。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图2. 弹性体的合成与自伸长过程做功

该材料是一种液晶弹性体（LCE，图2），交联密度和预拉伸程度会影响伸长效果。伸长拱起的过程可以向外做功输出能量（图2）,例如用来在远程无接触下实现电路连接。生长后成为驱动器的LCE具有良好的单畴取向，并且形变循环1000次后，驱动率依然保持稳定。

图3.异常相的表征

作者们在其他LCE中没有观察到上述自伸长现象（图3a）。可自伸长的LCE退火后的样品呈白色样品，只有在加热下才表现出明显的双折射（图3b、3d），而正常液晶在低温下才表现出双折射。伸长后，其双折射仍然比正常的单畴LCE弱得多。广角X射线散射(WAXS)表明这种异常相可能是该LCE的稳定基态，且其液晶畴可能非常小。通过跟踪自伸长过程，作者们推测机理如下：在新制备的样品拉伸过程中产生了内应力并储存了能量，随着时间的推移，在存储能量释放的驱动下，液晶畴取向的内部能垒被慢慢克服，同时出现低双折射的异常相态；将预拉伸的状态保持数小时后，液晶畴的取向度增加，使得弹性体样品的自然长度增加，产生自伸长现象。此外，当LCE开始伸长时，分子链形成的发夹结构可以“冻结”中间状态并固定弹性体的形状，因此撤去外力不影响继续伸长。此时存储的能量仍然存在，这是液晶畴持续取向和材料自伸长的主要驱动力。

柔性驱动器的形成和重塑形可能与在此体系中通常被忽视的酯交换反应有关（图4）。在合成过程中使用的二丙胺可作为酯交换的催化剂，并且根据“时间-温度等效原理”，即使在较低的温度下，只要时间足够长，酯交换反应也会逐渐发生。获得的驱动器可通过合理设计实现多种形变模式与多种功能（图5），在仿生等领域有潜在应用。

图4.酯交换的证明

 图5. 通过自伸长获得的多种柔性驱动器

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209853

相关进展

清华大学危岩教授和吉岩副教授课题组在《Prog. Mater. Sci.》发表关于环氧树脂类玻璃体材料的综述

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