弯曲、折叠、螺旋扭曲——光敏器件的“花样致动”

刺激响应性材料在外界刺激诱导下能够产生相应可逆变化，从而在智能致动器件领域有着广泛的应用。其中，光敏性材料（如含偶氮组分聚合物）可响应外界光刺激，可远程、瞬时操控，成为该领域的研究热点。以含偶氮材料体系为刺激响应基元的致动器件多以交联液晶体系的形式出现，交联网络结构结合偶氮苯光诱导顺反异构机械效应可实现器件的可逆/重复性指令运动。但是，以往的含偶氮交联液晶体系的光致运动多集中在一种或几种简便动作的实现，同一器件实现复杂、多样性“编程运动”还是一项挑战性工作。

近日，荷兰埃因霍芬理工大学Albert Schenning教授研究团队以热塑性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为基底，表面喷涂光响应含偶氮苯液晶网络（LCN），构筑了具有可重复“动作编程”的光致动器件。该新型光致动器件各种初始形状可基于PET重复热定型控制，同一器件在光诱导下可实现“折纸”运动、螺旋运动等多种光致运动。

新型光致动器件的结构及致动过程示意。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究团队在预双向拉伸的PET（厚度12 μm）基底上喷涂沉积液晶层（LC，4 μm）构筑双层不对称光致动器件。其中，喷涂后LC混合物在氮气氛围、85 ℃光聚合10 min交联成型，之后130 ℃加热、冷却（至室温）消除LC聚合引起的界面应力。热处理后LCN-PET双层器件呈现小幅度弯曲，在UV（365 nm）和蓝光（455 nm）光诱导下，LCN-PET体系可呈现快速的弯曲运动和可逆恢复；LCN-PET器件光致弯曲速率与单层 LCN光致动器件（厚度＞20 μm）光致弯曲速率相当。

LCN-PET器件光致弯曲速率测试。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

PET聚合物具有优异的形状热重塑性以及卓越的机械性能、柔韧性，作为柔性基底能够满足螺旋运动、折叠等多种大幅度形变运动。同时，动态热机械分析（DMA）测试显示，LCN和PET其玻璃化转变温度分别在90 ℃、120 ℃，提供了较宽的温度窗口实现LCN-PET器件初始形状的设计、构筑。基于铝箔纸包覆加热处理（100 ℃、15 min）、冷却定型，研究团队简便实现了具有“手风琴状”初始形貌器件的构筑。在光诱导下该致动器件能够实现初始“手风琴”形状与光致“花状”折叠形貌的可逆、快速转变。

LCN-PET“折纸状”初始形貌构筑及其光致动性能测试。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究团队进一步设计“编程”器件不同的初始形状，以测试器件光致运动的多样性。基于两种不同螺旋初始结构的构筑或同一器件“预编程”两种螺旋形貌，LCN-PET器件在光诱导下皆展现出优异的可逆光致动响应性。

LCN-PET光致“螺旋”运动测试。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

同时，为展示LCN-PET器件的可重复“动作编程”特性，研究团队对同一LCN-PET器件先后热重塑形成不同的初始形状（如先折纸状、后螺旋状），器件在前后不同的初始形状都展现出良好的光致动性能，表明该新型LCN-PET器件可用于编程、执行不同的动作指令，极大地拓展了其实际应用性能。

LCN-PET器件的重塑性能展示。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

总结

Albert Schenning教授研究团队以热塑性聚合物为柔性基底，以光敏性材质为刺激致动基元，实现了新型双层不对称致动器件的构筑。该新型致动器件基于热重塑“动作编程”，可实现单器件不同光致形变运动的执行、光致运动性能与均质含偶氮液晶致动体系相当。同时，该研究中简便的喷涂构筑工艺以及热塑性聚合物基底广泛的可拓展性，使得该研究成果在可回收软体机器人（致动器件）领域有着广阔的应用前景。

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Liquid Crystal Networks on Thermoplastics: Reprogrammable Photo-Responsive Actuators

Rob C. P. Verpaalen, Marina Pilz da Cunha, Tom A. P. Engels, Michael G. Debije, Albert P. H. J. Schenning

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.201915147