在自然界中，感应环境刺激变化并将其转化为运动是许多生物体至关重要的功能，例如攀爬植物卷须的向光性运动以及食肉草对昆虫的捕捉等。受这些植物倾向性运动（nastic plant motions）启发，科学家设计和制备了一系列基于刺激响应智能材料的致动器（或执行器）以应用于不同领域，例如聚合物“马达”，人造肌肉，微型机器人，光控微流体，振荡器和发电机等。在这些基于智能材料的器件中，偶氮苯液晶高分子执行器由于其出色的光控可变形性和可运动性（例如弯曲、滚动、步行、游泳、振动和螺旋扭转等）而受到越来越多的关注。然而，在液晶致动器领域仍存在许多挑战，例如如何将分子的几何构型变化（例如，偶氮苯的光异构化）有效地转化为材料的宏观运动，以及如何将外部刺激有效地转化为速度可调和方向可控的自推进式连续运动。
四川大学夏和生教授研究小组和加拿大Sherbrooke大学赵越教授研究小组合作制备了基于酯交换动态键的可加工偶氮苯液晶弹性体（简称ALCE），提出了一种用光驱动液晶致动器做复杂运动的新策略。实验表明，β-羟基酯键在高温下经催化剂作用可以进行快速的酯交换反应并赋予材料优良的可塑性，从而保证材料可以制成各类形状的器件。实验预先将拉伸应变能量储存在ALCE薄膜中。在UV光照射下，存储的应变能量进行光热触发释放并协同偶氮苯液晶材料的光致形变，可以导致ALCE薄膜产生极大的收缩力（~7 MPa）。这种强大光触发收缩力可以保证液晶致动器以“轮子”和“弹簧状马达”的形式产生自我推进的连续光控运动；并且，通过改变储存拉伸应变能的大小和改变致动器的结构可以分别调节致动器的运动速度以及控制运动方向和运动模式。
图1. UV光照引起的不对称变形使液晶聚合物“轮子”的重心向左(a)或向右(b)偏移，由此产生的力矩驱使“轮子”远离或朝向光源运动。不同“轮子”的光驱运动：(c) 外层ALCE膜，伸长率200%，向前滚动；(d) 外层ALCE膜，伸长率100%，向前滚动；(e) 内层ALCE膜，伸长率200%，向后滚动。
实验中液晶致动器是由ALCE/BOPP(双向拉伸聚丙烯)双层膜制备的。如图1 a所示，在UV光照射下，外层ALCE膜的朝光弯曲（变平）导致“轮子”朝光一侧的曲率减小而背光一侧曲率保持不变。这种不对称的变形使得“轮子”的重心向左偏移从而产生一个力矩驱使“轮子”背离光源滚动。由于UV光诱导的收缩（偶氮苯基团的光异构化）仅发生在ALCE 膜的表面区域，“轮子”变形的区域在其运动离开光源后，可以借助于BOPP层弹性变形提供的回复力，恢复最初的形状。因此，致动器“轮子”在连续的光照射下可以自推进式地循环运动。如图1 c和d所示，通过改变ALCE膜伸长率（应变能）的大小可以调节“轮子”的运动速度。实验表明，在相同的光照条件下，储存应变能较高（图1 c，伸长率200%）的“轮子”运动速度（~1 cm s−1）快于储存应变能较低（图1 d伸长率100%）的“轮子”运动速度（~0.33 cm s−1）。
相反地，当ALCE膜处于“轮子”的内层时（图1b），UV光透过BOPP层使得内层ALCE膜背光弯曲，从而导致“轮子”朝光一侧的曲率增大而背光一侧曲率保持不变。这种不对称的变形使得“轮子”的重心向右偏移从而产生一个力矩驱使轮子朝向光源滚动（图1e）。
这种通过拉伸应变能协同偶氮苯光异构化实现运动参数可控光驱运动的策略，也可以通过“弹簧状马达”的运动模式实现。当ALCE膜处于弹簧状致动器的内层时，UV光以一定倾斜角度沿着“弹簧状马达”轴线从左至右扫描可以驱使其自推进式地连续向前运动；反之，当ALCE膜处于外层时，相同条件UV光可以驱使其自推进式地向后运动。
图 2. (a)和(b)“弹簧状马达”的光驱运动示意图。不同“马达”的光驱运动：(c) 内层ALCE膜，向前运动；(b) 外层ALCE膜，向后运动。
对于ALCE膜处于内层的情况，当UV光以一定倾斜角度沿着“弹簧”轴线移动时，“弹簧”被光辐照的区域进行快速的“螺旋紧缩”运动，当光束离开时该区域又进行“螺旋松弛”运动来恢复原来形状。这种“螺旋紧缩”到“螺旋松弛”的转变可以产生一个力矩驱使“弹簧状马达”向前滚动。由于“弹簧状马达”的不同区域都连续地进行这种“紧缩——松弛”的转变，所以这种光驱运动是自推进式和连续的。
对于另一种ALCE膜处于外层的情况，相反的“螺旋松弛”到“螺旋缩紧”的转变产生一个相反方向的力矩驱使“马达”向后滚动。这项研究工作提出的用光驱动液晶致动器做自推进复杂运动的新策略，在光驱动聚合物致动器领域有潜在的应用价值。
相关研究成果已在线发表在Advanced Materials (影响因子19.791)上，四川大学高分子材料工程国家重点实验室，高分子研究所为第一单位，四川大学和Sherbrooke大学联合培养博士生卢锡立为第一作者，夏和生教授和赵越教授为共同通讯作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金（51433006）、Natural Sciences and Engineering Research Councilof Canada (NSERC) 和留学基金委（CSC）等资助。
参考文献：
Xili Lu, Shengwei Guo, Xia Tong, Hesheng Xia,*and Yue Zhao*, Tunable Photocontrolled Motions Using Stored Strain Energy in Malleable Azobenzene Liquid Crystalline Polymer Actuators, DOI:10.1002/adma.201606467
来源：高分子科学前沿
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