由於其迅速的熱機械響應、大變形和高做功/體積比，液晶彈性體（Liquid Crystal Elastomers, LCEs）在人工肌肉、可變形驅動器和傳感器以及觸覺顯示器等領域有很大的應用前景，而對其3D形狀的控制是實現其功能的關鍵。LCEs由輕度交聯的主鏈液晶單元或側鏈液晶單元組成。其受熱後會經歷從液晶相到各向同性狀態的轉換，產生較大的各向異性變形。研究者一般通過設計指向矢在空間中的排布，實現控制材料局部的變形性能，進而得到複雜的3D形狀。然而，此種方法在實現上存在很多難題。比如，在製備上實現複雜的指向矢排布是非常困難的。此外，由於對指向矢的高解析度控制只適用於某些種類的液晶單元，故並不具有普適性。因此，關於控制LCEs 3D形狀的普適性方法非常值得探索。
近日，UCLA金麗華教授和UMassAmherst Ryan Hayward教授聯合報導了控制LCEs 3D形狀的新思路：通過高空間解析度的光還原反應，實現金納米粒子在LCEs中的分布控制。在均勻可見光下，由於光熱轉化率受金納米粒子含量的影響，使得LCEs的局部熱變形受控於金納米粒子含量的分布。 此思路通過設計各個點的局部熱變形大小，而非指向矢的空間排布，實現在具有均質指向矢的LCEs的3D形狀控制。同時，研究者通過有限元分析和基於高斯幾何的理論模型，實現了對給定局部熱變形分布的3D形狀預測（正問題），以及求解預設3D形狀所對應的局部熱變形分布（反問題）。具體細節如下：
利用光掩模實現對金納米粒子分布的控制（圖1）將含有HAuCl3溶液的單一液晶相LCE與光交聯引發劑混合，並放置在紫外光下透過光掩模進行光還原反應。由於還原所得金納米粒子數量受控於紫外光的劑量，因此可通過設計光掩模上的灰度圖案實現對金納米粒子含量分布的控制。通過將灰度值從0%調節到100%，含金納米粒子的LCEs可實現沿初始指向矢8%到23%的應變量變化。這使得通過合理設計光掩模灰度圖案，控制LCEs局部熱變形大小，進而實現預定的3D形狀成為可能。
圖1. 光控金納米粒子排布的原理以及含金納米粒子LCEs的光熱響應
非連續熱應變分布以及周期振動（圖2） 研究者首先嘗試了各種非連續的熱應變分布，得到了豐富的3D形狀。值得注意的是，當光熱響應區域與非光熱響應區域沿對角線劃分時，LCEs正方形薄膜在斜30度光照下可實現兩種不同屈曲模態間的周期振動（圖2D-G）。通過有限元分析發現，這種周期振動是由於自遮擋效應造成的。
圖2. 多種由非連續熱應變分布引起的3D形狀以及周期振動
正問題：連續的熱應變分布對應的3D形狀（圖3） 作為可行性驗證，研究者嘗試求解了正問題，即給定連續的熱應變分布，預測相應的3D形狀。研究者預設了滿足高斯曲線的熱應變分布，並通過設計光掩模上的灰度圖案製備了相應的LCE薄膜。在光照下，LCE薄膜會屈曲成類似糖果捲紙的形狀。實驗結果與有限元分析以及理論預測具有高度的一致性。
圖3. 滿足高斯曲線的連續熱應變分布及相應的3D形狀
反問題：求解給定3D形狀所需的熱應變分布（圖4） 為實現對3D形狀的設計，研究者嘗試求解了反問題，即根據目標3D形狀，求得所需的熱應變分布。這裡目標3D形狀被設定為具有恆定正或負高斯曲率的形狀。通過數值求解關於高斯曲率和熱應變的微分方程，得到給定高斯曲率所對應的熱應變分布。在實驗可獲得的熱應變範圍內，無量綱化的高斯曲率可達 ±0.8。實驗、有限元分析和理論模型均驗證了求得的熱應變分布可以得到具有預定高斯曲率的3D形狀。
圖4. 設計實現給定高斯曲率的3D形狀
綜上，研究者結合實驗、有限元分析和幾何預測，提出了在LCEs上控制3D形狀的新方法，即設計局部熱變形大小的分布，而非依賴指向矢的空間變化，實現對具有均質指向矢的LCE的3D形狀控制。此方法製備簡單，並適用於所有類型的LCEs。研究者首先探索了各種非連續和連續熱應變分布，顯示出此方法可以得到豐富的3D形狀。同時基於高斯幾何提出了一種可以指導3D形狀設計的新理論。該研究為LCEs的3D形狀設計提供了新的途徑。
該成果以「Blueprinting Photothermal Shape‐Morphing of Liquid Crystal Elastomers」為題發表在Advanced Materials上。其中，博士生Alexa Kuenstler和博士生陳禹臻為共同第一作者，Hayward教授、金麗華教授和DeSimone教授為共同通訊作者。
論文連結：
https://doi.org/10.1002/adma.202000609
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來源：高分子科學前沿
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