刺激響應性可一維收縮材料在軟體機器人和仿生肌肉制備等領域具有重要作用。例如，自然界中的蜘蛛絲材料能夠在高濕度條件下收縮至原長度的50%。發(fā)展具有超大一維收縮率的刺激響應性材料是目前的一個研究難點。
液晶聚合物材料結(jié)合了液晶材料的各向異性和聚合物材料的彈性，在光、熱等刺激下，液晶聚合物能夠發(fā)生相變，在這個過程中，由于液晶基元的有序度降低，液晶聚合物材料能夠產(chǎn)生各向異性的收縮。然而，目前報道的熱響應液晶聚合物的最大收縮率為46%，光響應液晶聚合物的最大收縮率僅為20%。液晶聚合物材料的超大幅度一維收縮仍然沒有實現(xiàn)。
近日，復旦大學俞燕蕾教授團隊通過在線性液晶聚合物中引入應變儲能的方法，實現(xiàn)了液晶聚合物纖維材料的超大幅度光致收縮，收縮率高達81%，超過了目前所有已報導的可一維收縮液晶聚合物材料。利用這種新型功能材料，該研究團隊成功模擬了自然界蜘蛛網(wǎng)的損壞-修復過程，并成功制備出了具有光控抓捕行為的網(wǎng)格材料。
這種新型液晶聚合物纖維的光致收縮如圖1a所示，在470 nm光照后，纖維產(chǎn)生了高達81%的一維收縮。這種光致形變的設計理念在于構建應變儲能并實現(xiàn)儲存能量的光控釋放。為了實現(xiàn)這一目標，該研究團隊合成了具有長柔性鏈結(jié)構的線性偶氮苯液晶聚合物，如圖1b所示。通過高溫拉伸和固定形狀的降溫，促使液晶基元排列為規(guī)整的層狀結(jié)構（圖1c-e）。其次，通過偶氮苯的光致異構，實現(xiàn)有序度變化和應變儲能的釋放，從而驅(qū)動纖維材料的宏觀大幅度收縮（圖1f）。通過2D-XRD分析，驗證了液晶聚合物纖維的有序和非有序結(jié)構（圖1g-i）。
研究人員進一步研究了不同拉伸率對光致收縮率的影響，在拉伸率為400%時，光致收縮率達到最大值（圖2a）。通過研究負載下的液晶聚合物纖維的光致驅(qū)動行為，發(fā)現(xiàn)由于高拉伸率能夠產(chǎn)生更高的應變儲能，此時液晶聚合物纖維在負載下能夠?qū)崿F(xiàn)高的收縮率（圖2c-d）。同時，研究表明這種液晶聚合物纖維能夠分別實現(xiàn)在垂直方向拉動具有自重1640倍重量的物體，和沿斜面方向拉動具有自重1260倍重量的物體（圖2e-f）。
基于這種新型的光致收縮液晶聚合物纖維，研究人員制備了可光控折疊的折頁結(jié)構，如圖3a所示。液晶聚合物纖維的兩端固定在兩片鋁箔折頁的中心，通過液晶聚合物纖維的收縮，兩片鋁箔折頁能夠折疊至不同角度（圖3b）。并以此拓展制備了具有多重折頁結(jié)構的盒狀結(jié)構（圖3c）。
自然界的蜘蛛絲由于其超大幅度的收縮性，能夠自動修復損壞部分。圖4a展示了利用具有高收縮率的液晶聚合物纖維模擬天然蜘蛛網(wǎng)的自修復行為。研究人員進一步將這種液晶聚合物纖維用于網(wǎng)格袋的光控收緊（圖4b），并制備出了能夠篩選不同尺寸玻璃球的功能網(wǎng)格結(jié)構（圖4c）。
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圖4. a 液晶聚合物纖維模擬天然蜘蛛網(wǎng)的自修復過程. b 光控網(wǎng)格袋的收緊. c 功能網(wǎng)格的光控收縮.
這一成果近期發(fā)表在材料學期刊Advanced Functional Materials上，俞燕蕾教授為此工作的唯一通訊作者。
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