UCLA金麗華教授等《AM》：通過光熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對液晶彈性體的3D形狀控制

來源：高分子科學(xué)前沿


由于其迅速的熱機(jī)械響應(yīng)、大變形和高做功/體積比，液晶彈性體（Liquid Crystal Elastomers, LCEs）在人工肌肉、可變形驅(qū)動器和傳感器以及觸覺顯示器等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景，而對其3D形狀的控制是實(shí)現(xiàn)其功能的關(guān)鍵。LCEs由輕度交聯(lián)的主鏈液晶單元或側(cè)鏈液晶單元組成。其受熱后會經(jīng)歷從液晶相到各向同性狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生較大的各向異性變形。研究者一般通過設(shè)計(jì)指向矢在空間中的排布，實(shí)現(xiàn)控制材料局部的變形性能，進(jìn)而得到復(fù)雜的3D形狀。然而，此種方法在實(shí)現(xiàn)上存在很多難題。比如，在制備上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指向矢排布是非常困難的。此外，由于對指向矢的高分辨率控制只適用于某些種類的液晶單元，故并不具有普適性。因此，關(guān)于控制LCEs 3D形狀的普適性方法非常值得探索。

近日，UCLA金麗華教授和UMass Amherst Ryan Hayward教授聯(lián)合報(bào)道了控制LCEs 3D形狀的新思路：通過高空間分辨率的光還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)金納米粒子在LCEs中的分布控制。在均勻可見光下，由于光熱轉(zhuǎn)化率受金納米粒子含量的影響，使得LCEs的局部熱變形受控于金納米粒子含量的分布。 此思路通過設(shè)計(jì)各個(gè)點(diǎn)的局部熱變形大小，而非指向矢的空間排布，實(shí)現(xiàn)在具有均質(zhì)指向矢的LCEs的3D形狀控制。同時(shí)，研究者通過有限元分析和基于高斯幾何的理論模型，實(shí)現(xiàn)了對給定局部熱變形分布的3D形狀預(yù)測（正問題），以及求解預(yù)設(shè)3D形狀所對應(yīng)的局部熱變形分布（反問題）。具體細(xì)節(jié)如下：

利用光掩模實(shí)現(xiàn)對金納米粒子分布的控制（圖1）  將含有HAuCl3溶液的單一液晶相LCE與光交聯(lián)引發(fā)劑混合，并放置在紫外光下透過光掩模進(jìn)行光還原反應(yīng)。由于還原所得金納米粒子數(shù)量受控于紫外光的劑量，因此可通過設(shè)計(jì)光掩模上的灰度圖案實(shí)現(xiàn)對金納米粒子含量分布的控制。通過將灰度值從0%調(diào)節(jié)到100%，含金納米粒子的LCEs可實(shí)現(xiàn)沿初始指向矢8%到23%的應(yīng)變量變化。這使得通過合理設(shè)計(jì)光掩?；叶葓D案，控制LCEs局部熱變形大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)定的3D形狀成為可能。

圖1. 光控金納米粒子排布的原理以及含金納米粒子LCEs的光熱響應(yīng)

非連續(xù)熱應(yīng)變分布以及周期振動（圖2）  研究者首先嘗試了各種非連續(xù)的熱應(yīng)變分布，得到了豐富的3D形狀。值得注意的是，當(dāng)光熱響應(yīng)區(qū)域與非光熱響應(yīng)區(qū)域沿對角線劃分時(shí)，LCEs正方形薄膜在斜30度光照下可實(shí)現(xiàn)兩種不同屈曲模態(tài)間的周期振動（圖2D-G）。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，這種周期振動是由于自遮擋效應(yīng)造成的。

圖2. 多種由非連續(xù)熱應(yīng)變分布引起的3D形狀以及周期振動

正問題：連續(xù)的熱應(yīng)變分布對應(yīng)的3D形狀（圖3）  作為可行性驗(yàn)證，研究者嘗試求解了正問題，即給定連續(xù)的熱應(yīng)變分布，預(yù)測相應(yīng)的3D形狀。研究者預(yù)設(shè)了滿足高斯曲線的熱應(yīng)變分布，并通過設(shè)計(jì)光掩模上的灰度圖案制備了相應(yīng)的LCE薄膜。在光照下，LCE薄膜會屈曲成類似糖果卷紙的形狀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析以及理論預(yù)測具有高度的一致性。

圖3. 滿足高斯曲線的連續(xù)熱應(yīng)變分布及相應(yīng)的3D形狀

反問題：求解給定3D形狀所需的熱應(yīng)變分布（圖4）  為實(shí)現(xiàn)對3D形狀的設(shè)計(jì)，研究者嘗試求解了反問題，即根據(jù)目標(biāo)3D形狀，求得所需的熱應(yīng)變分布。這里目標(biāo)3D形狀被設(shè)定為具有恒定正或負(fù)高斯曲率的形狀。通過數(shù)值求解關(guān)于高斯曲率和熱應(yīng)變的微分方程，得到給定高斯曲率所對應(yīng)的熱應(yīng)變分布。在實(shí)驗(yàn)可獲得的熱應(yīng)變范圍內(nèi)，無量綱化的高斯曲率可達(dá) ±0.8。實(shí)驗(yàn)、有限元分析和理論模型均驗(yàn)證了求得的熱應(yīng)變分布可以得到具有預(yù)定高斯曲率的3D形狀。

圖4. 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)給定高斯曲率的3D形狀

綜上，研究者結(jié)合實(shí)驗(yàn)、有限元分析和幾何預(yù)測，提出了在LCEs上控制3D形狀的新方法，即設(shè)計(jì)局部熱變形大小的分布，而非依賴指向矢的空間變化，實(shí)現(xiàn)對具有均質(zhì)指向矢的LCE的3D形狀控制。此方法制備簡單，并適用于所有類型的LCEs。研究者首先探索了各種非連續(xù)和連續(xù)熱應(yīng)變分布，顯示出此方法可以得到豐富的3D形狀。同時(shí)基于高斯幾何提出了一種可以指導(dǎo)3D形狀設(shè)計(jì)的新理論。該研究為LCEs的3D形狀設(shè)計(jì)提供了新的途徑。

該成果以“Blueprinting Photothermal Shape‐Morphing of Liquid Crystal Elastomers”為題發(fā)表在Advanced Materials上。其中，博士生Alexa Kuenstler和博士生陳禹臻為共同第一作者，Hayward教授、金麗華教授和DeSimone教授為共同通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202000609