美研究人员开发出易编程、完全可逆形变的液晶弹性体

shicong

形变聚合物材料可将聚合物对于外界的刺激（热、光、pH和化学变化等）转换为动态形状的改变。通过玻璃化转变、相变、液晶转变、动态共价化学和非共价相互作用等多种形变机制将所施加的刺激转变为相应的形状变化。利用这些形变，该类材料可以应用于生物医学、四维打印、机器人、光学元件和人造肌肉等方面。

虽然液晶弹性体和液晶网络的刺激响应时间较长，但是其微观分子排列可以直接转化为宏观形变，使得它们成为当下有望实现完全可逆变形的材料。为了探究液晶弹性体更为复杂和可控的形状变化，美国科罗拉多大学材料科学与工程系的Christopher N. Bowman教授课题组开发了一种光聚合液晶弹性体，可以利用光引发动态化学键重组来调整液晶分子的取向。

研究者利用烯丙基二硫醇、略微过量的介晶二丙烯酸酯（RM82）以及新戊二醇二丙烯酸酯（NPGDA）反应，得到含有加成-断裂链转移（AFT）能力的丙烯酸酯封端低聚物，再经光聚合成可动态化学键交换的液晶聚合物网络。其中NPGDA单体的加入实现了无定形区含量的调控，调整聚合物清亮点为80℃。

该研究工作的独特之处在于，通过控制光处理的时间将AFT交换过程与热致液晶行为分开。研究者利用动态机械性能分析、应力-应变分析、偏光显微镜以及原子力显微镜辅助的纳米压印技术探究了其形变过程。发现光引发的AFT反应实现了，在给定温度和机械应变下的多次编程和擦除的过程，并通过偏光FT-IR观察了这些过程中液晶分子的排列。例如，将该聚合物薄膜手动折叠并用320至500nm（100mW/ cm2）光照射，加热时折叠将打开形成平面状态，并在冷却回室温后恢复为折叠状态。然而，在没有光照的情况下，折叠在恢复扁平面形状并冷却后依旧停留在平面状态。因此，光反应和相变过程共同决定着聚合物的宏观相变。在此之外，研究者还将预处理的材料折叠成盒子状，高温下盒子状材料舒展成平面，冷却后重新恢复其早期预处理的天鹅形态。

原文链接：

http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat4634