液晶彈性體（LCE）能夠響應外部刺激進行可編程的可逆大尺度變形，在人工肌肉、軟體機器人和微機械系統等領域具有巨大的應用潛力。LCE實現可逆驅動的必要條件是液晶基元的取向，而機械拉伸是一種簡單可靠的取向液晶基元的方法。但此時液晶基元通常沿拉伸方向排列，這導致LCE展現出單一的驅動模式，即在拉伸編程方向上表現出冷卻誘導延長。
鑒于此，浙江大學化學工程與生物學院謝濤教授和陳冠聰博士報道了一種由液晶和聚氨酯彈性體組成的互穿雙網絡，調整兩重網絡的聚合順序，材料表現出兩種相反的驅動模式，即傳統的冷卻誘導延長或反常的冷卻誘導收縮。該工作以“Pluralizing actuation behavior of 3D printable liquid crystal elastomers via polymerization sequence control"為題發表在《Science Advances》上。浙江大學謝濤教授和陳冠聰博士為共同通訊作者，浙江理工大學特聘研究員彭文俊為第一作者，該研究工作受到了浙江理工大學張先明教授的相關支持，論文第一單位為浙江理工大學。
本工作設計的雙網絡是可光固化的液晶網絡和聚氨酯網絡。作者將第一重液晶網絡聚合后溶脹聚氨酯單體，并在拉伸狀態下聚合第二重聚氨酯網絡，此時液晶基元沿拉伸方向排列，得到冷延長的驅動器LCE/PU（圖1B）；反之，將第一重聚氨酯網絡聚合后溶脹液晶單體，并在拉伸狀態下聚合第二重液晶網絡，聚氨酯彈性體的回彈力使得液晶基元沿垂直拉伸方向排列，得到冷收縮的驅動器PU/LCE（圖1C）。本工作的延長和收縮都是相對于拉伸編程的方向定義的。圖1E中的WAXD證實了不同的液晶基元取向方向，因此LCE/PU樣條冷卻時延長，加熱時收縮，而PU/LCE樣條冷卻時收縮，加熱時延長。
作者主要聚焦于區別傳統驅動的PU/LCE的反向驅動模式。如圖2所示，施加除拉伸外的編程作用力可以賦予PU/LCE諸如扭轉、彎曲和剪紙拉花的復雜驅動行為。借助光固化3D打印得到具有特定三維形狀的聚氨酯彈性體，進一步溶脹液晶并編程聚合，可以得到埃菲爾鐵塔，章魚和燈籠等一系列三維驅動器。驅動器的驅動動作取決于編程作用力形式，如圖2D所示，同樣的三維物體在施加線性拉伸，或者施加壓縮、拉伸及扭轉的組合力后，編程的差異使兩者展現不同的驅動動作。但其驅動方向均為加熱時向編程作用力方向變形，即展現冷收縮熱延長的反向驅動模式。
有趣的是，對PU/LCE在驅動過程中施加外力，可以在同一個樣品中同時實現三種驅動模式。在無外力情況下，PU/LCE表現出冷收縮模式，施加外力與材料內部垂直應力抵消后，PU/LCE幾乎沒有驅動，隨著外力繼續增加，液晶基元從垂直排列轉變為沿外力方向排列，因此PU/LCE表現出冷延長模式。圖3B中的WAXD分析證實了驅動過程中施加外力導致液晶基元取向方向逆轉的變化過程。結合激光切割或3D打印得到具有分級結構的樣品，驅動過程中施加相同外力時，不同的區域會承受不同程度的應力，因此同一樣品可同時表現不同的驅動模式，包括冷收縮（紅色）、零驅動（綠色）和冷延長（藍色）。
將兩類具有相反驅動模式的材料組裝到同一個驅動器中，可以實現傳統LCE難以實現的復雜驅動。如圖4所示，在加熱和冷卻切換下LCE/PU和PU/LCE可以展現出猜拳、拔河等模仿人類動作的行為。兩類驅動材料不同的粘接方式會帶來不同的驅動，如圖4F所示，同樣的樣條由于粘接方式的區別，最終分別展現平面—平面，平面—三維以及三維—三維之間的驅動。進一步地，將導電銅箔附于LCE/PU和PU/LCE樣條上，并搭建分別負責控制藍色LED燈和紅色LED燈的電路，該雙控開關可以響應溫度的變化從而控制電路，高溫時點亮紅色LED燈，低溫時點亮藍色LED燈，合適的長度設計使得中間溫度可以同時點亮兩盞LED燈。
4
立即詢價
您提交后，專屬客服將第一時間為您服務