液晶弹性体（LCEs）能够在热、光、电等刺激下，在液晶相-各向同性相转变时，可以发生显著的可逆变形。作为优异的软驱动器材料，其在人工肌肉、柔性机器人、可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景，近年来液晶弹性体的发展非常迅速。一般情况下，驱动温度由液晶相-各向同性相转变温度(Ti)确定，材料合成之后，其驱动温度已经确定无法改变。驱动温度的调控需要改变材料的分子设计，从合成开始改变材料的化学组成，从而改变Ti, 才可以获得不同的驱动温度。
近期，清华大学化学系吉岩副教授课题组发现，通过对动态共价液晶弹性体进行退火，得到新的拓扑结构，新结构可以被动态共价键的交换反应固定下来，从而在材料成型后不改变材料的化学组成，即可调控驱动器的驱动温度。该工作以“Enabling liquid crystal elastomers with tunable actuation temperature”为题发表在《Nat. Commun.》上。文章的第一作者是清华大学博士生姚艳锦。该研究得到国家自然科学基金委的支持。
图1. 液晶弹性体在退火温度(Ta)分别为110°C（Ta < Ti0)和180°C （Ta > Ti0)时Ti随时间的变化
以含酯键的液晶类玻璃高分子xLCE-BP为例，文章展示了通过动态酯交换反应和退火共同作用，可以实现对xLCE-BP的Ti进行大幅度的调控。如图1所示，差示扫描量热法(DSC)数据显示，退火温度(Ta)小于初始Ti(Ti0)时，xLCE-BP的Ti会升高；相反，退火温度小于初始Ti0时，xLCE-BP的Ti值随着退火时间的增加而降低。随着退火时间的延长，Ti峰逐渐变宽，最终几乎与玻璃化转变重叠。而且退火温度越高，Ti降低速度越快。例如，从DSC升温曲线看，在Ta= 140℃下5天，Ti从114 ℃下降到89 ℃，高于相同xLCE-BP在180℃下退火4天获得的77℃。
通过退火调控xLCE-BP (Ti0=114 ℃)的Ti的过程是可逆的，如图2所示，在80 ℃ (Ta < Ti0)下再退火30天后，样品在180℃下退火3小时(新Ti0 = 103 ℃)和6小时(新Ti0 = 95 ℃)后，Ti分别上升到122 ℃和105 ℃。同样，在180 ℃下退火12小时(新Ti0 = 88 ℃)、1天(新Ti0 = 81 ℃)、2天(新Ti0 = 80 ℃)、4天(新Ti0 = 77 ℃)的样品，在65 ℃ (Ta < Ti0)下退火50天后，Ti值也分别上升到92 ℃、82 ℃、83 ℃、79 ℃。由于退火是在低温下进行的，在低温下，酯交换反应缓慢，所以这种情况导致Ti增加相对较小且缓慢。
图2.Ti的可逆调控
对在拉伸试样的同时进行退火，可以得到单畴xLCE-BP。与多畴样品类似，在不同温度下，不同退火时间可以得到具有不同Ti的单畴xLCE-BP。如图3所示，采用多畴xLCE-BP（Ti0 = 114 ℃）在180 ℃下拉伸24h和3h后退火得到Ti为90 ℃ (Ti1)和112 ℃（Ti2）的样品。采用xLCE-BP（Ti0 =114 ℃）在110 ℃下拉伸3 d、10 d和30 d后，分别退火得到Ti含量为122 ℃（Ti3）、135 ℃（Ti4）和152 ℃（Ti5）的样品。五个样品放在一起。当温度达到100 ℃时，只有Ti为90 ℃的试样收缩。随着温度的升高，在120 ℃、130 ℃、140 ℃、160 ℃时，Ti为112 ℃、122 ℃、135 ℃、152 ℃的试样依次收缩。
图3 同一种组成的xLCE-BP通过退火获得5种具有不同驱动温度的驱动器
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39238-2
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