可选择性弯曲和自振荡的光响应性液晶光子致动器

刺激响应性材料作为一种具有“智能”行为的材料可以在外部环境因素刺激下,如光、温度、电场、湿度等产生相应的响应信号,如颜色变化、形状变化,电子性能和其他物理化学性质变化,从而可以用于显示器件、传感器以及软机器人等。光致形变材料由于在光刺激下形状变化的快速、可远程控制及可逆性等特点吸引了科学家们的极大兴趣,未来他们在软性机器人、可调光学器件、微流控制系统以及能量转换器件等领域具有广阔应用前景。在众多材料中,光致形变液晶弹性体(LCE)材料作为一种理想的选择是近年来关注的热点。其中,有别于偶氮苯分子构筑的光响应性LCE材料,基于光热效应的LCE 复合体系因光热转换材料选择的多样性及可多波段调控的优点吸引了众多关注。但目前该领域的研究多关注于形变的方式和类型上,而在赋予致动器多功能以及其进一步的应用方面鲜有报道。

近期,北京化工大学材料学院郭金宝教授研究组基于光子晶体模板制备了一种光响应性的类双层结构的液晶光子致动器。双层结构中,一层为纯LCE层,另外一层为具有纳孔结构的LCE层。同时巧妙地将表面改性的氧化石墨烯(GO)引入到体系中, GO作为一种理想的光热转换材料可以有效地将光能转换为热能,进而诱导液晶发生热致相转变,使得复合薄膜同时具有弯曲形变和结构色变化的特点。并且,该薄膜在近红外光、可见光以及聚焦的太阳光下均具有良好的光致形变效果。在此基础上,研究组进一步利用分阶段紫外光聚合的方法,成功制备了交替向列相(N)和各向同性(I)相双相结构的复合光子膜。由于N相和I相的差异化响应可以实现光驱动的多重复杂形变。并且,在一个N相和I相长度比合适的两段复合光子膜中,观察到了恒定光照下的自振荡形变行为。同样地,这种自振荡形变在以上三种光源条件下均可发生。最后,将上述自振荡形变与聚合物压电薄膜的压电效应相结合实现了光-机械-电能的转换。这项工作展示了光驱动液晶聚合物在制备多功能致动器和传感器材料方面的潜力,也为光-电能量转换器件的研究提供了一种新的思路。

本工作在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201800131)上,第一作者为北京化工大学材料科学与工程学院硕士研究生魏万媛。