作者:王玲等 来源:《德国应用化学》 发布时间:2021/12/31 9:22:01
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天津大学实现仿生变色手性液晶弹性体新突破

 

2021年12月28日,天津大学的封伟教授、王玲教授团队在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了一篇题为“Mechanochromic, Shape-Programmable and Self-Healable Cholesteric Liquid Crystal Elastomers Enabled by Dynamic Covalent Boronic Ester Bonds”的新研究。

研究团队通过将动态共价硼酸酯键引入到主链型胆甾相液晶弹性体中,成功开发了一种兼具力致变色、形状可编程和室温自修复特性的胆甾相液晶弹性体。该研究为4D可编程(颜色和3D形状)光子材料的研究提供全新思路,有望在仿生变色伪装、自适应光学系统和智能机器人等领域获得重要应用。

论文通讯作者是天津大学材料学院王玲教授和封伟教授;第一作者是天津大学硕士生马佳哲和青年教师杨言昭博士。

自然界的许多生物,经过亿万年的环境自适应、自然选择和漫长进化,逐渐演变出令人敬畏的自适应变色伪装能力,从而能够躲避天敌或者向同类发出交流信号。例如变色龙能够通过主动控制细胞层内部的纳米晶体的排列结构,可以根据周围环境实现自身颜色的变化,达到与背景颜色匹配隐身的目的。这些生物体独特的表皮微纳光学结构及其自主动态变色的机制,为我们开发新型的仿生智能变色材料与技术提供了丰富的灵感。

近年来国内外研究团队在仿生变色龙智能变色光子晶体材料的研究方面已经取得了一系列重要进展。手性液晶材料如胆甾相液晶(Cholesteric Liquid Crystal Elastomers, CLCEs)是一类具有周期性螺旋超结构的手性软光子晶体,不仅选择性地反射不同波长的可见光,还能够灵敏地响应环境刺激变化如力、热、电、光、磁等,呈现出结构色的动态变化,这种手性液晶智能变色材料在军事伪装和智能机器人等领域都具有广泛的应用前景。

研究团队采用两步巯基-丙烯酸酯迈克尔加成和光聚合反应相结合的各向异性挥发方法,将动态共价硼酸酯键引入具有螺旋纳米超结构的主链型胆甾相液晶弹性体中,成功设计和制备了兼具力致变色、形状可编程和室温自修复特性的CLCEs,其在机械力作用下产生快速且可逆的形状及颜色变化,CLCEs的结构色可在可见光谱范围内进行动态调节,并且呈现独特的圆偏振反射特性(图1)。通过调节B-O键的含量,探究了其热交换性能。将20%BDB-CLCE薄膜在室温下单轴拉伸60%应变,然后在80℃的温度下保持固定长度4 h,由于热激活B-O键交换反应,CLCE聚合物网络内部形成新的拓扑结构。将样品冷却到室温,得到了取向的绿色CLCE薄膜,其形状和颜色能够通过改变温度实现可逆调控(图2)。

图1:CLCEs的制备、微观结构、力致变色及圆偏振反射特性研究

图2:基于B-O键热交换特性的CLCEs颜色和形状编程性能研究

研究团队进一步通过将CLCEs编程成不同颜色和3D形状,如螺旋形、波形、圆柱形和更复杂的结构,演示了4D光子驱动器。经过100 ℃和25 ℃的循环加热和冷却,得到的4D光子驱动器不仅可以改变颜色,还可以在3D形状和1D CLCE薄膜之间实现可逆转换(图3)。值得注意的是,利用热激活B-O键交换的特性,还可以将单个4D光子驱动器重新编程成其他颜色和3D形状。值得一提的是,作者发现具有较高B-O键含量的CLCE薄膜能够表现出优异的自修复性能。例如,将50%BDB-CLCE薄膜切成两部分,在损伤界面滴加水后于室温放置24小时,样品自愈,可拉伸到原始长度的180%,并能承受自身1000倍的重量。利用自愈合CLCEs,作者还展示了由不同颜色的CLCEs组装的卡通人物和风车图形(图4)。这一研究成果有望为开发基于“智能”软物质材料的仿生变色伪装材料、自适应光学系统和软体机器人等技术的发展开辟新的道路。

图3:基于B-O键热交换特性的CLCEs 3D形状编程及可重构性能研究

图4:基于水触发B-O键重组机制的CLCEs室温自修复性能研究

(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/anie.202116219

 
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