《先進材料》運動可控的液晶高分子「馬達」

在自然界中，感應環境刺激變化並將其轉化為運動是許多生物體至關重要的功能，例如攀爬植物卷鬚的向光性運動以及食肉草對昆蟲的捕捉等。受這些植物傾向性運動（nastic plant motions）啟發，科學家設計和製備了一系列基於刺激響應智能材料的致動器（或執行器）以應用於不同領域，例如聚合物「馬達」，人造肌肉，微型機器人，光控微流體，振蕩器和發電機等。在這些基於智能材料的器件中，偶氮苯液晶高分子執行器由於其出色的光控可變形性和可運動性（例如彎曲、滾動、步行、游泳、振動和螺旋扭轉等）而受到越來越多的關注。然而，在液晶致動器領域仍存在許多挑戰，例如如何將分子的幾何構型變化（例如，偶氮苯的光異構化）有效地轉化為材料的宏觀運動，以及如何將外部刺激有效地轉化為速度可調和方向可控的自推進式連續運動。

四川大學夏和生教授研究小組和加拿大Sherbrooke大學趙越教授研究小組合作製備了基於酯交換動態鍵的可加工偶氮苯液晶彈性體（簡稱ALCE），提出了一種用光碟機動液晶致動器做複雜運動的新策略。實驗表明，β-羥基酯鍵在高溫下經催化劑作用可以進行快速的酯交換反應並賦予材料優良的可塑性，從而保證材料可以製成各類形狀的器件。實驗預先將拉伸應變能量儲存在ALCE薄膜中。在UV光照射下，存儲的應變能量進行光熱觸發釋放並協同偶氮苯液晶材料的光致形變，可以導致ALCE薄膜產生極大的收縮力（~7 MPa）。這種強大光觸發收縮力可以保證液晶致動器以「輪子」和「彈簧狀馬達」的形式產生自我推進的連續光控運動；並且，通過改變儲存拉伸應變能的大小和改變致動器的結構可以分別調節致動器的運動速度以及控制運動方向和運動模式。

圖1. UV光照引起的不對稱變形使液晶聚合物「輪子」的重心向左(a)或向右(b)偏移，由此產生的力矩驅使「輪子」遠離或朝向光源運動。不同「輪子」的光碟機運動：(c) 外層ALCE膜，伸長率200%，向前滾動；(d) 外層ALCE膜，伸長率100%，向前滾動；(e) 內層ALCE膜，伸長率200%，向後滾動。

實驗中液晶致動器是由ALCE/BOPP(雙向拉伸聚丙烯)雙層膜製備的。如圖1 a所示，在UV光照射下，外層ALCE膜的朝光彎曲（變平）導致「輪子」朝光一側的曲率減小而背光一側曲率保持不變。這種不對稱的變形使得「輪子」的重心向左偏移從而產生一個力矩驅使「輪子」背離光源滾動。由於UV光誘導的收縮（偶氮苯基團的光異構化）僅發生在ALCE 膜的表面區域，「輪子」變形的區域在其運動離開光源後，可以藉助於BOPP層彈性變形提供的回復力，恢復最初的形狀。因此，致動器「輪子」在連續的光照射下可以自推進式地循環運動。如圖1 c和d所示，通過改變ALCE膜伸長率（應變能）的大小可以調節「輪子」的運動速度。實驗表明，在相同的光照條件下，儲存應變能較高（圖1 c，伸長率200%）的「輪子」運動速度（~1 cm s?1）快於儲存應變能較低（圖1 d伸長率100%）的「輪子」運動速度（~0.33 cm s?1）。

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相反地，當ALCE膜處於「輪子」的內層時（圖1b），UV光透過BOPP層使得內層ALCE膜背光彎曲，從而導致「輪子」朝光一側的曲率增大而背光一側曲率保持不變。這種不對稱的變形使得「輪子」的重心向右偏移從而產生一個力矩驅使輪子朝向光源滾動（圖1e）。

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這種通過拉伸應變能協同偶氮苯光異構化實現運動參數可控光碟機運動的策略，也可以通過「彈簧狀馬達」的運動模式實現。當ALCE膜處於彈簧狀致動器的內層時，UV光以一定傾斜角度沿著「彈簧狀馬達」軸線從左至右掃描可以驅使其自推進式地連續向前運動；反之，當ALCE膜處於外層時，相同條件UV光可以驅使其自推進式地向後運動。

圖 2. (a)和(b)「彈簧狀馬達」的光碟機運動示意圖。不同「馬達」的光碟機運動：(c) 內層ALCE膜，向前運動；(b) 外層ALCE膜，向後運動。

對於ALCE膜處於內層的情況，當UV光以一定傾斜角度沿著「彈簧」軸線移動時，「彈簧」被光輻照的區域進行快速的「螺旋緊縮」運動，當光束離開時該區域又進行「螺旋鬆弛」運動來恢復原來形狀。這種「螺旋緊縮」到「螺旋鬆弛」的轉變可以產生一個力矩驅使「彈簧狀馬達」向前滾動。由於「彈簧狀馬達」的不同區域都連續地進行這種「緊縮——鬆弛」的轉變，所以這種光碟機運動是自推進式和連續的。

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對於另一種ALCE膜處於外層的情況，相反的「螺旋鬆弛」到「螺旋縮緊」的轉變產生一個相反方向的力矩驅使「馬達」向後滾動。這項研究工作提出的用光碟機動液晶致動器做自推進複雜運動的新策略，在光碟機動聚合物致動器領域有潛在的應用價值。

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參考文獻：

Xili Lu, Shengwei Guo, Xia Tong, Hesheng Xia,*and Yue Zhao*, Tunable Photocontrolled Motions Using Stored Strain Energy in Malleable Azobenzene Liquid Crystalline Polymer Actuators, DOI:10.1002/adma.201606467

來源：高分子科學前沿

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