刺激響應(yīng)性可一維收縮材料在軟體機(jī)器人和仿生肌肉制備等領(lǐng)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(yīng)性材料是目前的一個研究難點(diǎn)。
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(yīng)液晶聚合物的最大收縮率為46%，光響應(yīng)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(shí)現(xiàn)。
近日，復(fù)旦大學(xué)俞燕蕾教授團(tuán)隊(duì)通過在線性液晶聚合物中引入應(yīng)變儲能的方法，實(shí)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(dá)81%，超過了目前所有已報導(dǎo)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(tuán)隊(duì)成功模擬了自然界蜘蛛網(wǎng)的損壞-修復(fù)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(dá)81%的一維收縮。這種光致形變的設(shè)計(jì)理念在于構(gòu)建應(yīng)變儲能并實(shí)現(xiàn)儲存能量的光控釋放。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該研究團(tuán)隊(duì)合成了具有長柔性鏈結(jié)構(gòu)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(gòu)（圖1c-e）。其次，通過偶氮苯的光致異構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有序度變化和應(yīng)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(yàn)證了液晶聚合物纖維的有序和非有序結(jié)構(gòu)（圖1g-i）。
研究人員進(jìn)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(dá)到最大值（圖2a）。通過研究負(fù)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(yīng)變儲能，此時液晶聚合物纖維在負(fù)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(shí)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(gòu)，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(gòu)的盒狀結(jié)構(gòu)（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(fù)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(fù)行為。研究人員進(jìn)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(gòu)（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(fù)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(xué)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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