浙江大学金斌杰/谢涛教授团队AM：多驱动模态的液晶介电弹性体

介电弹性体（DE）是一类能在电场下发生可逆驱动的人工肌肉，具有大应变和快响应的优点。然而，常见的DE仅具有单一驱动模式，且在制备后无法同生物肌肉一样根据外部条件变化改变驱动模式。为解决该问题，浙江大学谢涛教授课题组开发了一类在温度变化下可自主切换驱动模式的液晶介电弹性体（LC-DE）。

设计思路

如图1a所示，LC-DE通过液晶单体RM82、聚己内酯二丙烯酸酯（PCLDA）与硫醇的点击反应进行制备。基于各向异性溶剂挥发法可以取向网络中的液晶基元，从而使LC-DE在温度变化时能够实现可逆的形状切换。如图1b所示，将样品折叠三次并进行溶剂挥发取向，可以制备得到一个在室温下为“W”形状的样条。当环境温度在液晶相转变温度（TNI）上下变化时，它可以在“W”结构（T < TNI）和平面结构（T > TNI）之间进行切换。由于这两种结构具有不同的弯曲刚度（几何效应），在外加电场的作用下，LC-DE就会呈现两种不同的介电驱动模式 （即冷却状态下的弯曲和加热状态下的摇摆）。因此，通过编程LC-DE在温度作用下的可逆形状变化就可以实现其在电场下的多模态驱动模式。

图1. a） LC-DE的化学组成；b）介电驱动模式切换机理。

为了便于讨论，作者定义低温下（T < TNI）的形状为临时形状，高温下（T > TNI）的形状为永久形状。为了实现这两个形状的独立控制，作者选取了不同的编程手段。具体而言，临时形状可以通过各向异性挥发法进行重复编程，而永久形状则可以通过基于酯交换反应的动态网络重排实现多次改变。

性能优化与器件制备

基于上述设计可知，LC-DE在单个驱动模式下的表现由其介电性能决定而不同模式之间的差异性由其液晶变形所决定。因此作者详细讨论了LC-DE网络组成与液晶变形、介电性能的相关性。随后首先基于各向异性溶剂挥发赋予LC-DE复杂的临时形状（例如钩子和金字塔），实现了室温下特定的介电驱动（图2a）。上述驱动模式可以利用溶剂挥发机理可以实现再次编程（图2b），且具有基于空间电荷传导机理的低电场下的双向驱动变形（图2c）。随后作者利用网络动态塑性赋予LC-DE复杂的永久形状，并将两者结合实现了LC-DE在温度改变情况下自发切换驱动模式的目标（图3）。

图2. a）基于复杂临时形状的介电驱动；b）驱动模式重编程；c）双向驱动模式。

图3. 多驱动模态LC-DE。

该工作将液晶弹性体的形状变化与介电弹性体的驱动机理有机结合，利用形状的改变实现介电驱动模式的调控，为制备软体机器人提供了新思路。该工作发表于Advanced Materials,论文第一作者为浙江大学张铖宬博士研究生，通讯作者为浙江大学金斌杰博士，受到了浙江大学赵骞教授和谢涛教授的指导与帮助。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313078

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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