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宾夕法尼亚大学杨澍教授团队《Adv.Mater.》:制备出具有显著光热效应、可重复驱动的金纳米棒/液晶弹性体复合材料
2020-10-20  来源:高分子科技

  液晶弹性体 (Liquid crystal elastomers,LCEs)结合了液晶的各向异性和交联聚合物的橡胶弹性,通过控制对液晶弹性体液晶分子基元 (mesogens unit)的排列方向,其能够实现可逆形变。这些特性使得液晶弹性体在软体机器人、可控驱动器等方面具有广泛的应用前景。液晶弹性体的驱动原理主要是基于它的有序-无序之间的相转变。相比于热、电或磁驱动的液晶弹性体,光驱动液晶弹性体具有远程、可局部控制驱动的优点。目前,光驱动的液晶驱动器主要基于光化学效应(photochemical effect)和光热效应(photothermal effect)两种机理。前者主要基于偶氮苯基团在紫外光和可见光下发生的光致异构化反应,但其受副反应和光降解等因素的影响,长期稳定性较差。后者主要基于光热转化,但一般的光热转换材料(photothermal agent)在液晶弹性体中会出现团聚现象,从而减低光热效应,限制驱动器的响应速率,驱动性能和循环性能。因此,制备显著光热效应并且可以重复驱动的液晶弹性体驱动器目前仍具有一定难度。


  美国宾夕法尼亚大学材料科学与工程系Shu Yang (杨澍) 教授团队的Yuchen Wang (王宇晨)等通过对金纳米棒(AuNRs)进行聚乙二醇(PEG)的表面修饰,将AuNRs分散在以液晶单体RM82和液晶低聚体RM82-1,3 PDT的混合物中,通过光引发交联,制备了具有显著光热效应、可循环驱动的近红外光响应(NIR responsive)的金纳米棒液晶弹性体复合物(AuNR/LCE)。该金纳米棒液晶弹性体复合物能够在800 nm的近红外波长光照下实现快速驱动(平均光强1W/cm-2,驱动响应时间小于5秒,回复时间小于2秒),同时保持56%的驱动应变(actuation strain)。通过变换光掩模板的图案来有效控制光照到金纳米棒液晶弹性体复合物膜的位置和强度,单一取向的复合物膜能够实现不同的驱动变形模式。


图一 a)金纳米棒液晶弹性体复合物的制备过程。b)纯液晶弹性体和金纳米棒液晶弹性体复合物的紫外-可见-近红外光谱。c)0.2 wt% 金纳米棒液晶弹性体复合物的偏光显微镜图片。d)金纳米棒液晶弹性体复合物在单一偏光片下的紫外-可见-近红外光谱。


  图一展示了金纳米棒液晶弹性体复合物的制备过程, 经过修饰的金纳米棒较好的分散在液晶基体中。紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)光谱中可以观察到由金纳米棒产生的明显的表面等离子体共振峰。同时,金纳米棒不但不影响液晶分子的取向排列,还能够延着液晶分子的取向排列。


图二 a)纯液晶弹性体和金纳米棒液晶弹性体复合物在不同功率800 nm光下与温度之间的关系图。b)金纳米棒液晶弹性体复合物光照弯曲的可能机制。c) 0.2 wt% 金纳米棒液晶弹性体复合物弯曲角度和光功率之间的关系。d,e) 0.2 wt% 金纳米棒液晶弹性体在1W/cm-2 800 nm 光下的弯曲角度随时间变化的关系图和循环测试图。


  图二展示了液晶弹性体复合物显著的光热效应。当0.2 wt% 金纳米棒被引入液晶弹性体中,0.8W/cm-2的800 nm光可以将复合物的温度升至150 °C。该液晶弹性体复合物能够向光照方向弯曲,其弯曲角度和光照强度有关。当光的平均功率1W/cm-2时,其驱动响应时间约为3 秒,回复时间约1秒。此外,光热驱动可以至少循环50次,其性能没有显著的变化。


图三 a)通过控制光掩模板图案驱动不同形变的示意图。b)当对称点阵光图案照射在复合物上时的驱动变形。c) 当非对称C形图案照射在复合物上时的驱动变形。(800 nm,功率0.9W/cm-2)。


  图三展示了通过控制光掩模板的图案获得不同的驱动变形:当使用对称的点阵光图案照射时,可以获得正弦波状的变形;当使用非对称C形图案的光照射时,可以获得非对称的变形。这些变形均可以由同一片单一方向取向的液晶弹性体复合物膜所实现。


  该策略有以下几个优点:1)制备简单。虽然之前许多文献报道了各种可编程的液晶高分子变形方法,但是液晶高分子弹性体必须在制备中进行预取向。这些预取向制备方法不仅过程复杂,而且在预取向后,变形的形状也就已经固定。要实现另一个变形形状,需要重新制备新的膜。相比之下,该方法只需要制备单一取向的复合物膜。2)同一片液晶弹性体复合物膜可以变形多次。通过改变照到复合物膜上的光的图案,人们可以无限次地改变驱动变形的形状,从而免去了复杂的液晶基元的取向过程。3)变形的尺寸精度和类型可以使用空间光调制器而进一步提高和扩展。


  以上相关成果发表在Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.202004270. 第一作者为Yuchen Wang (王宇晨),通讯作者为Shu Yang(杨澍)教授。合作者包括美国宾夕法尼亚大学材料科学与工程系的Liang Feng(冯亮)教授课题组。


  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202004270

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