Advanced Materials:光致形变液晶高分子及其柔性执行器的发展与展望

模仿生物的刺激响应行为(如动物的趋光性、植物的向湿性等)构筑智能材料是新型功能材料发展的重要方向之一,有望应用于生命医疗、航空航天、军事探测等多种领域。液晶弹性体兼具优异的协同作用和高分子网络的弹性,能够在外场(热、电、磁、光等)刺激下,通过改变液晶基元的排列而产生各向异性的形状(尺寸)变化。与众多刺激方式相比,光驱动方式由于其可控性好、可远程定点操作、对使用环境无要求而受到广泛关注。光响应液晶高分子通常含有能吸收光能的分子或官能团,其在光的作用下会发生某些物理或化学反应,产生一系列结构和形状变化,从而表现出特定的功能。偶氮苯类衍生物是目前研究最为广泛的一种光响应基团,它可以在光的作用下实现顺反异构化的转变。光化学反应引起的分子结构变化可以在液晶基元协同效应的作用下进一步放大为材料的宏观形变。

近日,复旦大学材料科学系俞燕蕾教授课题组结合研究团队多年来的工作,着重评述了近十几年来含有偶氮苯基团的光致形变液晶高分子及其柔性执行器的重要发展历程和趋势,并关注通过仿生设计实现器件功能化的新思路。相关论文在线发表在Advanced Materials期刊(DOI: 10.1002/adma.201904224)上。

该综述从形变机理、多维拓扑形变方式以及光控柔性执行器三个方面深入浅出地介绍了光致形变液晶高分子材料。由于该类材料的加工是影响其分子排列、形变行为的重要因素,本文着重从改善光致形变液晶高分子加工性能的角度进行了阐述。为了解决交联网络结构导致材料不溶不熔的问题,后交联体系、动态交联体系和非化学交联体系应运而生。尤其值得一提的是,俞燕蕾教授课题组通过烯烃开环易位聚合制备出高分子量的线型液晶高分子,利用其高度有序的层状近晶相排列以及高分子链缠结形成有效的物理交联,不仅兼容溶液、熔融、旋涂、辊压等通用高分子加工方法,还具有强韧的力学性能和优良的光致形变性能,可制备成一维(纤维)、二维(薄膜)以及三维(微管)的各种光控执行器并实现微流体输运等特定功能。同时,该材料还能与天然闪蝶翅膀、医用EVA材料完美复合,赋予非响应材料光响应性能。由此可见,设计和制备全新结构的光致形变液晶高分子是从根本上提高材料加工性能的有效手段,这也是该领域未来重点发展的方向。

光致形变液晶高分子可以通过改变分子取向实现复杂形变,如弯曲、扭曲、螺旋等,为微型执行器的制备奠定了坚实的材料基础。本文也详细介绍了光致形变液晶高分子构筑的各类微执行器,例如微阵列表面、仿生微纤毛、微型行走机器人等,其中光响应微阵列表面和微管执行器在微量液体操控领域展现出极大的优势。此外,光致形变液晶高分子材料在能量收集、自清洁表面、传感器等领域也具有广阔的应用前景。最后,作者对这一领域未来的重点研究方向进行展望,例如材料加工性能与工艺的改进为可编程的液晶聚合物发展提供了新的机遇。编程过程可能涉及到很多方面,如液晶分子取向的调控、几何形状和组成的特殊设计等等,甚至可以将光进行编程来实现执行器的程序化形变。该工作将帮助材料科学家、化学家和工程师们了解光致形变液晶高分子领域面临的挑战和机遇,同时也对未来材料的开发和功能器件的设计具有重要指导意义。