可变色纤维Nature Materials文章

▲第一作者：Yong Geng, Rijeesh Kizhakidathazhath

通讯作者：Yong Geng, Jan P. F. Lagerwall

通讯单位：卢森堡大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01355-6

01
研究背景

机械响应型纺织品在从时尚到医疗保健等许多领域都具有很强的应用潜力。胆甾型液晶弹性体具有很强的机械变色响应(Mechanochromic response)，因而为上述应用提供了诱人的机会。然而，将液晶弹性体(liquid crystal elastomers, CLCEs)纤维制成纺织品是具有很大的挑战性的，因为Plateau–Rayleigh不稳定性往往会将前体溶液分解成液滴。

02
研究成果

本研究报告了一种简单的方法，它平衡了前驱体溶液的粘弹性性质，以避免前体溶液分解成液滴的结果，并且还制备出了长的和机械坚固的胆甾型液晶弹性体长丝。当拉伸到200%时，这些细丝具有快速、渐进和可逆的机械变色效应，从红色到蓝色(波长偏移为155 nm)。此外，这种纤维可以缝制成衣服，可以经受反复拉伸和经常洗机器洗涤。这种方法和制备的纤维可能在可穿戴技术和其他领域的应用中有潜在的应用，包括自主应变传感或检测极端强烈的变形方面。

03
图文介绍

▲图 1 |从低聚物前体液中制备CLCE纤维

要点：

1. CLCE前驱体是基于丙烯酸酯封端的液晶低聚物(LCO)，该低聚物是通过图1a所示的硫醇-丙烯酸酯Michael加成反应合成的。使用三乙胺作为催化剂来引发形成液晶的二丙烯酸酯单体(RM257)、可聚合手性掺杂剂(LC756)和二硫醇链扩链剂(EDDET)之间的链接反应。

2. 如图1b所示，从原丝上手动拉出长丝是很容易的。为了可重复地制造出长度更长、尺寸和机械变色性能可控的纤维，本研究设计了一种简单的自制装置，如图1c所示。该注射器以设定的进料速率Q提供CLCE前体，并将其连接到涂有聚乙烯醇（PVA）的旋转心轴的一端。通过将注射器沿心轴以调整为旋转速度ω的速度v平移，可将连续的细丝缠绕到心轴上。通过调节Q、V和ω，可以将细丝直径从微米调整到毫米。

3. 细丝从注射器向空气中抽出得到的几何形状为圆柱形，具有圆形横截面(图1d, f)，但当前体湿润心轴时，它在几分钟内变形为半圆柱形。

▲图 2 |微观CLCE纤维表征

要点：

1. 本研究还对完整的CLCE纤维进行了详细的POM(optical microscopy)研究：图2中显示了一根~250 μm宽的红色λ₀的光纤。这些纤维在宽度和厚度上都是均匀的，并显示出强烈的选择性反射，即使在明亮的背景下也是清晰可见的(图2a)。来自良好对齐的CLCE的布拉格反射应该是圆偏振的，手性与螺旋线相同。为了测试这一点，本研究在POM仪器中插入λ/4板，发现右旋圆偏振设置的偏振器增强了红色纤维的颜色(图2b)，而左旋偏振设置的纤维几乎不可见(图2c)。

2. 在没有分析仪的透射中（图2d），纤维以互补的蓝色出现（减去反射红光）。在插入了λ板的交叉偏振器之间，蓝色保持不变，几乎不受纤维沿λ（图 2e）或垂直λ（图 2f）旋转的影响，最终确认了沿该方向观察的最终纤维的双折射可以忽略不计。

▲图 3 |CLCE纤维的机械变色响应

要点：

1. 在松弛状态下具有红色反射的纤维提供了理想的机械变色响应特性，因为全可见光谱可用于揭示纤维所承受的伸长应变的大小(图3a-k)。即使在明亮的背景下，这种反应也是立即的、完全可逆的并且肉眼可见。

2. 为了量化响应，本研究测量了反射光谱以及拉应力σ_xx作为工程应变ϵ_xx=Δl_x/l^*_x的函数，其中笛卡尔坐标轴x是纤维的长轴，l^*_x是原始长度，Δl_x是沿纤维的延伸。结果如图3m, n所示。在每个应变水平，在反射光谱中看到一个清晰的峰值，从中可以提取λ₀(图3m)。

▲图 4 |CLCE纤维的宏观机械变色响应

要点：

1. 本研究准备了两个装置，用于评估环境照明下肉眼在宏观尺度上看到的机械变色反应。首先，简单地编织10根纤维组成的经纱(在图4a-d中是垂直的)，每根纤维的末端都粘在照片顶部和底部的两个可移动的玻璃片上。另外11根纤维作为纬纱在经纱上上下穿梭，它们的末端粘在另一组可移动的玻璃滑板上，方向与经纱垂直。具有红色和绿色基态颜色的纤维出现在编织中。

2. 当拉伸经线时(图4b)，它的纤维先变成绿色，然后变成蓝色，或者蓝色，然后变成紫色(这取决于基态颜色)。纬纱的变化较小，因为在这种情况下它们的变形很小。一旦松弛了经线，它的纤维立即恢复了原来的颜色。如果相反地拉伸纬线(图4c)，同样的情况依然出现。当经纱和纬纱都拉伸时(图4d)，所有纤维同时发生蓝移。

3. 接下来，本研究手工缝制了长的(~1 m)CLCE纤维(图4i)，在弹性布中将其缝制成字母“C”的形状，并用普通纱线缝制字母“L”和“E”。 虽然光纤针对红色基态逆反射进行了调谐，但它在环境光下显示为粉色色调(图4e)。

04
小结

总而言之，本研究开发了一种简单的方法来制造长的CLCE纤维，当拉伸应变高达200%时，该纤维表现出良好的机械变色响应，跨越整个可见光谱。为了扩大生产，可以使用直径更大的更长的心轴，通过自动沿心轴平移注射器，可以在较小的细丝相邻圈之间间隙的情况下沉积前驱体溶液。由于三个因素-纤维可以编织或缝制成常规的弹性服装，实验表明，这不会影响用户的舒适性，而且纤维可以长期使用和反复机器洗涤，因此可以被用作智能纺织品，甚至可以显示出复杂的应变模式。本研究相信，这将在运动服装和可穿戴机器人领域特别有用，但它也为创新的时尚和艺术应用提供了大量机会。此外，在不可穿戴的环境中，CLCE纤维可能具有重要的作用，例如，在家具中或作为绳索上的警告标志(即，含有CLCE纤维的绳索可以发出信号，如果它被拉伸到危险的水平，或者它受到应变导致塑性变形，它应该被丢弃)。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01355-6

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