宾夕法尼亚大学杨澍教授团队综述：更快，更强，更多响应机制的多功能液晶弹性体复合物

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

液晶弹性体 (Liquid crystal elastomers，LCEs)，由于其固有的各向异性特性和其可编程的可逆形变已被广泛应用于从软体机器人、光子设备、细胞培养和组织工程等领域。液晶弹性体的驱动原理主要是基于它有序与无序之间的相转变。为了应对实际应用中所需要的高驱动效率，高机械强度，以及对多种刺激的反应需求，设计和制备液晶弹性体复合材料是十分必要和有意义的。通过合理选择填料和制造复合材料可以增强液晶弹性体的物理特性并赋予其额外刺激响应，例如光、电和磁响应。该综述介绍了液晶弹性体相关背景知识，重点叙述了液晶弹性体复合材料的最新进展。其中液晶弹性体被更广泛的定义为各向异性弹性材料。因此，本文不仅包括了具有金属纳米粒子、磁性粒子、液态金属、碳纳米管、石墨烯及其衍生物和炭黑的经典液晶弹性体复合材料，还包括了纤维素纳米晶体和聚合物所构成的液晶弹性体复合材料，最后文章总结了目前的挑战，展望了未来的研究机会。

尽管液晶弹性体作为新兴材料已被研究者广泛关注，需要通过加热来激活其响应和需要较低的模量以实现大的驱动应变一直制约着其应用。改善和提升液晶弹性体的性质以实现高效率、高强度、以及高热导电导率和多种刺激响应对其实际应用具有深远意义。通过将合适的材料复合到液晶弹性体中制造复合材料的手段，不但可以改善液晶弹性体的物理性质，也可以使液晶弹性体具有光、电、磁响应，甚至同时具有多重响应。

图1：液晶弹性体复合材料的填料选择，刺激响应以及其应用。

图2：液晶弹性体的取向排列方式。a)机械拉伸; b)表面取向;c)场辅助取向;d)剪切取向。

图3：金纳米颗粒液晶弹性体复合材料的制备。a)三步法硫醇-点击化学制备金纳米棒液晶弹性体复合纤维; b)金纳米棒液晶弹性体复合膜;c)光掩模法制备金纳米颗粒液晶弹性体复合膜。

图4：碳纳米管液晶弹性体复合材料的制备。a) 芘主链共聚物稳定的碳纳米管; b)碳纳米管液晶弹性体复合纤维;c)碳纳米管液晶弹性体复合膜。

图5：液晶弹性体复合材料软体机器人的应用。a) 局部光热反应驱动金纳米颗粒液晶弹性体的局部变形; b)碳纳米管液晶弹性体复合毛毛虫机器人;c) 碳纳米管液晶弹性体复合物的光驱动;d) 人工捕蝇草;e)磁性液晶弹性体复合软体机器人。

图6：纤维素纳米晶液晶弹性体复合材料光子设备的应用。a)不同湿度下展现不同的颜色;b)不同拉伸长度下展现不同的颜色。在这篇综述具体介绍了:(1) 液晶和液晶弹性体的基本知识：包括液晶的分类、液晶弹性体的取向控制、化学合成和响应行为。(2) 液晶弹性体复合材料设计与制造策略，以及复合材料对响应机制的影响。其中特别比较了液晶弹性体复合材料与纯液晶弹性体相比，其性质的变化和新的功能。(3) 液晶弹性体复合材料在软体机器人、光子设备、细胞培养和组织工程领域的具体应用。(4)液晶弹性体复合材料目前的挑战和未来的研究方向。这篇最新的关于液晶弹性体复合材料的综述将有助于研究者了解液晶弹性体及其复合材料，对推动液晶弹性体复合材料研究、开发和应用有指导意义。以上相关成果以Multi-functional liquid crystal elastomer composites为标题发表在Applied Physical Reviews. DOI: 10.1063/5.0075471共同第一作者为宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)材料科学与工程系的Yuchen Wang (王宇晨)和Jiaqi Liu (刘佳琦)，通讯作者为Shu Yang(杨澍)教授。

论文链接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0075471

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)，作者：高分子科学前沿