研究背景：在過(guò)去的幾十年里，刺激響應(yīng)型智能材料已在人造肌肉、人造皮膚或軟機(jī)器人領(lǐng)域得到成功開(kāi)發(fā)。作為其中重要的一種，液晶彈性體（LCE）可以在各種外部刺激（例如溫度，光，電等）下做出極其敏感的可逆形變。雖然溫度和光是LCE中最為普遍的刺激手段，但是不如電能方便和實(shí)用，特別是對(duì)于便攜式設(shè)備和軟機(jī)器人。因此，電刺激響應(yīng)LCE（eLCE）吸引了越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。我們課題組最近報(bào)道了一種三層結(jié)構(gòu)的雙功能電刺激響應(yīng)液晶彈性體驅(qū)動(dòng)器i-EAD-LCE，（Small 2024,20,2307565，DOI: 10.1002/smll.202307565）該器件為三層結(jié)構(gòu)，包括中間一層離子導(dǎo)電LCE膜和上下兩層導(dǎo)電聚合物電極。根據(jù)不同的電刺激，i-EAD-LCE可以實(shí)現(xiàn)收縮或彎曲。然而，i-EAD-LCE的機(jī)械性能有待提高。我們知道哺乳動(dòng)物骨骼肌的楊氏模量為10～60 MPa，驅(qū)動(dòng)應(yīng)力為0.1～0.35 MPa。但是i-EAD-LCE的楊氏模量?jī)H為 1.63 MPa，而且無(wú)法測(cè)量出驅(qū)動(dòng)應(yīng)力。此外，其傳感器的功能也未被觀察到。因此，提高 LCE 層的機(jī)械性能以制備堅(jiān)固的三層離子導(dǎo)電高分子智能器件，對(duì)于開(kāi)發(fā)新型的驅(qū)動(dòng)器和傳感器的至關(guān)重要。

基于以上背景，法國(guó)巴黎文理大學(xué)巴黎高科化學(xué)學(xué)院李敏慧教授課題組和巴黎塞爾吉大學(xué)合作，通過(guò)制備液晶彈性體和離子凝膠的互穿網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合三層離子導(dǎo)電高分子智能器件（i-EAD）， 成功實(shí)現(xiàn)了可調(diào)電致雙功能驅(qū)動(dòng)器和傳感器（i-EAD-IPN-LCE，見(jiàn)圖1）。i-EAD-IPN-LCE作為線性驅(qū)動(dòng)器，其楊氏模量、驅(qū)動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變分別為51.6 MPa、0.14 MPa和9%，達(dá)到骨骼肌的范圍。作為彎曲驅(qū)動(dòng)器，輸出力為3 mN時(shí)，其彎曲形變差為1.18%。并且在9%彎曲形變的機(jī)械刺激下，產(chǎn)生 0.4 mV 開(kāi)路電壓，從而能作傳感器。因此這種i-EAD-IPN-LCE可用于開(kāi)發(fā)堅(jiān)固的多自由度電致驅(qū)動(dòng)器和機(jī)械傳感器。

圖 1.(a) 制備i-IPN-LCE（Ionogel網(wǎng)絡(luò)/LCE 網(wǎng)絡(luò)）薄膜的各組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(b)制備 PEDOT : PSS 電極的各組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(c)三層 i-EAD-IPN-LCE 作為電致線性和彎曲驅(qū)動(dòng)器。橙色中心層代表離子傳導(dǎo) i-IPN-LCE 薄膜（n 表示液晶取向方向），而兩個(gè)黑色側(cè)層代表 PEDOT:PSS 電極。根據(jù)施加的電壓和頻率（±5 V，0.1 Hz 或 ±10 V，10 Hz)，i-EAD-IPN-LCE 會(huì)執(zhí)行線性收縮形變或彎曲形變。它可以作為機(jī)械臂提起其自身76倍質(zhì)量的重物，或模擬高爾夫棒擊球（俯視圖，比例尺 = 4 mm）。(d) i-EAD-IPN-LCE還可以作為傳感器將機(jī)械彎曲轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

圖 2. i-EAD-IPN-LCE 的機(jī)械和熱機(jī)械性能及其在方波電位（±10 V，10 Hz）刺激下的線性收縮。(a) 室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變圖（應(yīng)變速率：10 mm/min）。(b)在等應(yīng)力模式下DMA測(cè)得的可逆熱驅(qū)動(dòng)應(yīng)變（加熱/冷卻速率：± 3 ℃/min，應(yīng)力：0.02 N）。(c)在等應(yīng)變模式下DMA測(cè)得的熱驅(qū)動(dòng)應(yīng)力（加熱/冷卻速率：± 3 ℃/min，應(yīng)變：0.01%）。(d) 無(wú)負(fù)載時(shí)第一個(gè)電刺激 (EA)循環(huán)期間i-EAD-IPN-LCE 薄膜（黑色）的照片，最大線性收縮率為 9%。(e) 負(fù)載為 3.80g時(shí)第一個(gè) EA 循環(huán)期間i-EAD-IPN-LCE 薄膜（黑色）的照片，負(fù)載提升1.7 mm。薄膜的移動(dòng)部分（長(zhǎng) × 高 × 寬 = 18 × 5.5 × 0.57 mm，比例尺 = 10 mm）被視為驅(qū)動(dòng)器，重量?jī)H為 50 毫克。(f) 無(wú)負(fù)載時(shí)，在四個(gè) EA 循環(huán)期間，i-EAD-IPN-LCE的線性收縮率隨時(shí)間變化圖。第 1 次、第 2 次、第 3 次和第 4 次 EA 達(dá)到最大收縮的時(shí)間分別為 25 s、28 s、39 s和 40 s。(g) 無(wú)負(fù)載時(shí)，在四個(gè) EA 循環(huán)期間，電流隨時(shí)間變化圖。

圖 3.(a) 電致彎曲原理示意圖。(b)i-EAD-IPN-LCE（樣品厚度 w = 0.59 mm）在±5V，0.1 Hz電刺激下的彎曲形變照片（比例尺 = 2 mm）。(c)彎曲形變的輸出力模擬高爾夫擊球（俯視圖，比例尺 = 4 mm）。(d) ±5V，0.1 Hz電刺激時(shí)電流隨時(shí)間變化。(e) 由放置在 L = 5 mm 處的激光傳感器記錄的位移隨時(shí)間變化。(f) 計(jì)算彎曲形變差的關(guān)鍵參數(shù)說(shuō)明。(g) 在 L = 3 mm處，i-EAD-IPN-LCE (w = 0.51 mm) 電致彎曲形變的輸出力隨時(shí)間變化。(h)用于測(cè)試 i-EAD-IPN-LCE 作為彎曲傳感器的1 Hz、±1 mm正弦位移，。杠桿臂的尖端與 i-EAD-IPN-LCE (w = 0.51 mm) 接觸處距夾緊側(cè)的距離 為L(zhǎng) = 3 mm。最終對(duì)i-EAD-IPN-LCE樣品施加的彎曲形變差為9%。(i)顯示對(duì)機(jī)械彎曲刺激響應(yīng)的開(kāi)路電壓隨時(shí)間的變化。

這項(xiàng)工作以“Interpenetrating Liquid Crystal Elastomer and Ionogel as Tunable Electroactive Actuators and Sensors”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials 》（Adv. Funct. Mater. 2024,2403892, DOI: 10.1002/adfm.202403892）期刊上。法國(guó)巴黎文理大學(xué)博士生鄧亞奎和博士生劉高宇為共同第一作者，法國(guó)巴黎文理大學(xué)李敏慧教授和巴黎塞爾吉大學(xué)的Cédric Vancaeyzeele副教授為共同通訊作者。該工作受到法國(guó)國(guó)家科研署（French National Research Agency. Grant Number: ANR-22-CE06-0023）和中國(guó)國(guó)家留學(xué)基金委的資助與支持。

封面來(lái)源于圖蟲創(chuàng)意