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基于液晶彈性體的軟體驅(qū)動器具有驅(qū)動性能優(yōu)異、質(zhì)量輕和可無線操控等諸多優(yōu)點，在醫(yī)療器械、智能紡織、機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊。然而，液晶軟體驅(qū)動器的制備工藝復(fù)雜，通常需要兩步甚至多步操作才能完成；且材料的形狀和驅(qū)動模式無法根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行靈活調(diào)整，因此限制了其實際應(yīng)用。近日，上海交通大學(xué)的劉湍和林秋寧等人從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)構(gòu)建了一種熱塑型液晶彈性體。該材料能夠采用機(jī)械拉伸或熔融擠出一步制備成型，并在溫度調(diào)控下展現(xiàn)出可逆且穩(wěn)定的驅(qū)動行為。

圖1?熱塑性液晶彈性體的合成、拉伸誘導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)取向和固定

本工作報道的液晶彈性體是非共價交聯(lián)的，其結(jié)構(gòu)中含有氫鍵作為物理交聯(lián)點以及短支鏈用于避免物理結(jié)晶。在拉伸或剪切力的作用下，液晶結(jié)構(gòu)單元發(fā)生取向，同時氫鍵發(fā)生動態(tài)重排，從而僅用一步就完成了液晶網(wǎng)絡(luò)的取向和及其固定。與現(xiàn)有研究工作相比，本工作極大的簡化了液晶彈性體的制備工藝。

圖2 采用簡單機(jī)械拉伸制備液晶軟體驅(qū)動器

基于上述工作原理，我們采用一步機(jī)械拉伸方式成功制備了多種液晶軟體驅(qū)動器，其中包括具有2D運動模式的螺旋形器件、具有3D運動模式的管狀器件以及具有光誘導(dǎo)驅(qū)動功能的八爪魚等。上述驅(qū)動器均是在室溫下經(jīng)手工制備而成，說明制備過程便捷且具有DIY特征。

圖3?采用熔融紡絲和注塑制備液晶軟體驅(qū)動器

熔融紡絲和注塑成型是兩種常見的高分子工業(yè)化生產(chǎn)方式。本工作進(jìn)一步證明了液晶軟體驅(qū)動器能夠通過這兩種方法進(jìn)行加工。利用熔融紡絲，我們獲得了連續(xù)的液晶纖維；利用注塑成型，我們能夠在秒級時間內(nèi)快速制備具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器。

因此，本論文工作首次實現(xiàn)了液晶軟體驅(qū)動器的一步制備，使其規(guī)模化和定制化制備成為可能。

論文信息

One-Step Manufacturing of Supramolecular Liquid-Crystal Elastomers by Stress-Induced Alignment and Hydrogen Bond Exchange

Yuexin Fan,?Prof. Tuan Liu,?Prof. Yuzhan Li,?Dr. Xuepei Miao,?Dr. Baihang Chen,?Jian Ding,?Zhixiang Dong,?Prof. Orlando Rios,?Dr. Bingkun Bao,?Prof. Qiuning Lin,?Prof. Linyong Zhu

本論文由碩士生樊玥欣在劉湍助理研究員和林秋寧研究員的指導(dǎo)下完成，并獲得了朱麟勇教授的大力支持和悉心指導(dǎo)。該研究成果得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、交大2030計劃、上海市浦江人才等項目的支持。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202308793

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