基于液晶聚合物的光致形变复合材料

黄帅; 陶钰; 黄银亮

doi:10.7536/PC211103

化学进展 ›› 2022, Vol. 34 ›› Issue (9) :2012-2023 DOI: 10.7536/PC211103

综述

扫码查看或转发全文

基于液晶聚合物的光致形变复合材料

黄帅 ¹^,²^,^* ,
陶钰 ¹^,² ,
黄银亮 ¹^,²

作者信息 +

Photodeformable Composite Materials Based on Liquid Crystalline Polymers

Shuai Huang ¹^,²^,^* ,
Yu Tao ¹^,² ,
Yinliang Huang ¹^,²

Author information +

文章历史 +

摘要

可变形液晶聚合物是近年来的研究热点,它们在人造肌肉、软机器人和智能光学设备等智能软系统的开发中表现出巨大潜力。然而,传统热响应液晶聚合物的应用通常受到聚合物基体的低热导率以及对外部加热装置高度依赖性的限制。相比之下,光控方法具有许多优点,包括具有非接触式、远程原位以及精确操纵的能力,这有助于开发各种不受限制且可远程操作的智能软器件。最近,通过引入有机或无机光响应组分作为功能添加剂来开发光控可变形液晶聚合物有许多重要进展。其中,通过功能模块、液晶相和聚合物基质之间的相互作用,所引入组分的多种功能可以与液晶聚合物的定向变形行为相结合。本文将重点介绍掺入光敏有机染料或无机纳米组分的可光操作液晶聚合物复合体系的设计策略、制造方法和工作原理,并简要总结它们可能的应用和未来的发展。

Abstract

Deformable liquid crystalline polymers have attracted a lot of research interests in recent years, because of the great potentials in the development of intelligent soft systems such as artificial muscles, soft robots and smart optical devices. However, the response of conventional liquid crystalline polymers is based on thermal control methods, which limits the applications due to the low thermal conductivity of the polymer matrix and the high dependence on external heating devices. In contrast, the light control method has shown many advantages, including non⁃contact, remote in⁃situ, and precise manipulation capabilities, which could contribute to developing diverse unrestricted and remotely operable smart soft devices. Recently, there have been many important advances in the development of photodeformable liquid crystalline polymers fabricated by introducing organic or/and inorganic light⁃responsive components as functional additives. Among them, the multiple functions of the introduced components can be easily combined with the orientational deformation behavior of the liquid crystalline polymer through the interaction among the functional module, the liquid crystal phase and the polymer matrix. Here, this review focuses on the design strategy, manufacturing method and working principle of the photo⁃manipulatable liquid crystalline polymer composite systems incorporated with light⁃sensitive components. Moreover, the possible applications and future development are briefly summarized at the end of the review.

Graphical abstract

关键词

光致形变 / 液晶聚合物 / 智能软材料

Key words

photodeformation / liquid crystalline polymer / smart soft materials

引用本文

引用格式 ▾

黄帅, 陶钰, 黄银亮. 基于液晶聚合物的光致形变复合材料[J]. 化学进展, 2022, 34(9): 2012-2023 DOI:10.7536/PC211103

Shuai Huang, Yu Tao, Yinliang Huang. Photodeformable Composite Materials Based on Liquid Crystalline Polymers[J]. Progress in Chemistry, 2022, 34(9): 2012-2023 DOI:10.7536/PC211103

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

1 引言

在自然界中,生物体进化出了通过调整外观、形态和运动形式以适应环境的能力。例如,变色龙的变色、猪笼草的捕食和合欢树叶的昼夜节律现象,通常是通过可操纵的微结构来实现的^[1⇓~3]。这些自然现象启发了科学家们通过多层级的结构设计来开发智能软材料。基于这些材料制备的柔性器件可以识别外部刺激(包括光、热、电场、磁场和机械力等)并将输入信号转换为各种化学或物理输出以执行给定任务^[4⇓~6]。在各种智能材料中,具有可调各向异性微结构的液晶聚合物是最引人注目的体系之一^[7⇓⇓~10]。一般而言,液晶聚合物的主链或侧链中含有液晶基元,能够将液晶的各向异性、自组装和刺激响应特性与高性能聚合物的易加工、耐腐蚀以及可设计的力学性能等特点相结合^{[11⇓⇓⇓~15]}。与水凝胶等其他智能软材料相比,液晶聚合物在开发多功能智能设备方面有很多优势:(1)其刺激响应行为不依赖于环境条件;(2)响应速度较快,易于原位精确操纵;(3)通过控制液晶的取向可以实现各向异性的响应,用于开发可编程的复杂器件^[16⇓~18]。

目前,研究者把液晶聚合物分类为线型液晶聚合物、玻璃态液晶聚合物网络和液晶弹性体。线型液晶聚合物的分子链间主要存在范德华力和链缠结等物理作用,因此具有优良的可加工性。然而,这类体系的刺激响应行为通常是不可逆的,链间滑动会阻止链段和液晶的排布回复到初始状态^[19]。相比之下,玻璃态液晶聚合物网络和液晶弹性体都是交联体系,因此表现出可逆的响应行为,但这两类材料具有不同的力学性能。通常来说,玻璃态液晶聚合物网络是紧密交联的网络,其玻璃化转变温度高于室温,表现为塑料的力学特性。而液晶弹性体是轻度交联体系,常常含有柔性主链,其玻璃化转变温度低于室温,表现为橡胶的力学特性^[20,21]。目前,研究者已经利用液晶聚合物的各种优势开发了多样的智能化软器件,例如人造肌肉^[22,23]、软体机器人^[24⇓~26]、微流控制器^[27,28]、可逆粘接剂^[29,30]、可调制表面^[31,32]、新型光学设备^[33,34]和3D 打印的智能器件等^[35,36]。其中,能够将各种外界刺激转化为宏观形变的液晶致动器是一个非常有发展潜力的方向。这种响应一般是由液晶的相变或者取向变化所引起的。此外,这些形变通常是定向的、可操控的。在热致液晶中,只需对其进行加热从而触发液晶相的有序-无序转变即可触发液晶致动器的形变(图1)^[16,37]。

特别地,玻璃态液晶聚合物网络和液晶弹性体的变形机制不同。在玻璃态液晶聚合物网络中,其形变机制是内部温度升高降低了紧密网络中液晶的有序性并引起快速的构象变化,导致局部的模量变化。然而,液晶弹性体中由于相对松散的网络对分子运动的限制较少以及相变和聚合物骨架中链段运动的协同作用,在被驱动时其构象变化更大但速度会更慢^[35]。换句话说,不同的聚合物网络密度对于材料的力学性能和变形行为有很大影响。然而,液晶聚合物内部的低热导率限制了热传递,难以实现对材料的均匀加热,进一步影响致动器的响应速度。为了解决这一问题,研究者通过将热源植入液晶聚合物内部实现了高效、快速的形变^[38]。但是由于难以对热源实现区域化控制以及热扩散的存在,很难在不影响热源周围分子状态的情况下产生局部驱动力,实现精确地区域化形变控制。

相比之下,光操控的液晶致动器体系具有许多优点,例如非接触式、远程原位和区域化精确操控的能力等^[39,40],可以应用在光控电机^[41]、波传输器^[24]、光操纵人工虹膜^[42]和微流体光控制器^[27]等系统中。然而,为了赋予不含光响应基团的液晶聚合物对光响应的能力,目前常用的有两种策略:一是通过掺杂具有光热转化能力的组分来实现快速高效的光响应;二是利用某些功能基团的光化学响应机制,通过分子构象或构型的变化来触发液晶相的有序-无序转变。其中,液晶的相变是光能向机械能转化的媒介。因此,液晶基元与掺杂剂之间的相互作用便成为了决定材料性能的重要因素。对基于光热效应的体系而言,液晶基元的液晶温域需要能够与掺杂剂的光热转化能力相配合,尤其是液晶的清亮点不宜过高或过低(一般在50~100℃)。过高会导致需要高含量的掺杂剂或高激发光强度才能驱动该体系,过低则导致形状恢复过程过于缓慢^[20]。对基于光化学效应的体系而言,掺杂剂一般应含有刚性结构且光化学反应前后分子构型应发生较大的变化,才能够较好地通过与液晶基元间的超分子协同效应诱导液晶相变来驱动材料发生形变^[9,17]。此外,掺杂剂的掺入可能会扰乱液晶相以及材料内部结构的有序性,对定向形变甚至材料的力学性能产生不利影响。因此,必须要对这些复合材料内部的结构(包括分子结构和聚集结构)进行精心设计,才能获得性能优良的光控智能化器件^[35]。

本文将重点讨论可发生光致形变的液晶聚合物复合材料及器件的设计思路和应用方向。这类材料主要是通过引入光敏有机染料或无机纳米组分,基于光热效应或光化学反应实现光致形变。其功能和特性可以通过调节液晶的有序结构和掺杂组分之间的相互作用进行设计,从而实现各种远程、原位、精确的控制。通过这种策略,可以赋予材料智能化的特性。本文中,我们重点关注利用有机染料或无机纳米组分作为功能掺杂剂的液晶聚合物复合材料的设计策略、制备方法、工作原理和潜在应用。更重要的是,光敏染料或纳米组分的加入可以将添加剂的各种功能与液晶聚合物的定向变形行为相结合,实现功能模块、液晶相和聚合物基质的协同工作,为能够在广谱范围内进行精确操控的智能软设备制造提供了有效的策略。

2 有机染料/光响应液晶聚合物复合材料

有机材料通常具有从分子到宏观尺度的可定制和可功能化的特性。因此,可以通过化学设计将源自不同有机官能团的功能整合起来。此外,复合材料中组分之间的不相容性通常会对机械性能和抗疲劳性产生不利影响^[43,44]。但对有机体系而言,其易于进行化学改性的特点可以较容易地改善组分间的相容性。一般来说,有机染料/光响应液晶聚合物/复合材料的设计策略主要有两类:引入有机光热染料和引入含光响应功能团的分子。这两种策略的机制都是通过改变液晶分子的取向序来触发相变产生局部体积变化。基于光热效应的液晶聚合物复合体系的敏感波长范围通常有较大的可设计性。目前从紫外光谱区到近红外光谱区的光控体系都有报道。而基于光化学反应的体系大多是由紫外光和可见光所控制的。此外,这两种策略对于器件的响应速度和触发驱动的光强阈值都有所影响^[45,46]。

2.1 基于光热染料的复合体系

有机染料可以吸收一定波长的光,然后将光能转化为热能,热量累积到一定程度时就能够引发液晶的相变。然而,如果需要通过这种相变的机制进一步实现材料的驱动,掺入的染料必须具有大的摩尔消光系数和光热能转换效率^[47]。虽然有机染料的光热效率一般情况下很难和无机材料相比,但是具有与聚合物基质相容性好的优点。迄今为止,研究者们已经报道了包括小分子染料、金属有机配合物和共轭聚合物在内的多种有机染料。这些染料的分子结构中都含有π共轭体系,这有利于吸收从紫外到近红外波段的光子并发生高效的光热转换。

2.1.1 掺杂小分子有机染料作为光敏剂

Broer等^[48]发现市面上常用的光稳定剂具有很好的光热效果,因此系统地研究了这些吸收波长范围在 365~600 nm的小分子光稳定剂作为光热掺杂剂时的性能。研究发现,这些染料在特定波长的光辐照下会引起材料内部温度显著升高,从而驱动液晶聚合物薄膜的运动。在此基础上,他们通过一种“自遮蔽”的设计策略,使材料的温度发生振荡变化,实现了自振荡运动。其中,有机小分子掺杂剂被认为是通过分子振动或旋转在光热转换过程中快速地耗散掉了所吸收的光能。

另外一种典型的有机小分子染料是含有π共轭结构的偶氮苯衍生物。这类材料的一个主要优势在于其分子的互变异构可以和液晶基元的取向调控结合起来用于制备可多模式编程的液晶致动器。一个典型的例子是偶氮染料——分散红II,它可以通过酸处理被原位地转化为羟基偶氮吡啶鎓盐。这两种状态下的染料在405和530 nm可见光的刺激下表现出差异较大的响应行为,实现了对该致动器的可逆酸化编程^[49]。

以上体系的控制光源主要为紫外光和可见光,相比之下,近红外光具有更好的穿透性和更低的生物危害性^[4]。然而,近红外响应的有机小分子染料设计一直是一个难题。受克罗可碱染料的启发^[50],Yang 等通过修饰具有两个对称柔性烷基链的噻吩-克罗可碱-生色团的刚性核获得了“刚性-柔性”结构的近红外光响应的液晶性有机染料。该染料在796nm波长附近显示出尖锐而强烈的吸收带。同时由于染料本身也具备液晶性,因此与液晶弹性体基质更相容^[51⇓~53],在基体中更容易获得良好分散,实现了快速且可逆的光变形行为。这种近红外响应的有机染料也被进一步用于设计复杂的智能软设备。受生物在自然环境中的伪装行为启发,Li 等^[16]报道了一种具有协同光控荧光变色和可编程变形能力的仿生软致动器。他们将末端官能化的四苯基乙烯衍生物和光致变色螺吡喃基团化学键合进了液晶聚合物网络。该智能器件的发光行为可以通过切换紫外/可见光照控制,掺入上述有机染料使该软器件的运动可以被近红外光所操控。利用这样的机制,研究者们制备了可以同时爬行并根据环境伪装从而在复杂环境中执行任务的软体机器人,以及可以模仿复杂生物功能的仿生设备,例如具有变色行为的褶边蜥蜴颈部的变色和变形(图2)。

2.1.2 掺杂金属有机配合物作为光敏剂

如前所述,设计和合成长波长响应的有机小分子染料难度是比较大的,采用金属有机配合物可以较容易地克服这一困难。Zhao等将一种对980 nm 光具有高光热活性的镍-二硫烯配合物引入到了液晶聚合物中,实现了近红外光控。他们通过对液晶取向的编程以及光热-运动-热反馈回路的设计,获得了可以在连续980 nm 激光照射下执行多种自主运动(例如爬行、攀爬、弯曲和扭曲)的复合型致动器(图3)^[54]。

2.1.3 掺杂高分子染料作为光敏剂

尽管小分子染料的光吸收范围非常窄,对光的选择性优良,但是它们的光热效率难以进一步提高,不利于制备快速响应的器件^[20]。此外,小分子染料在作为能量转换位点的同时,还在聚合物基体中起到了增塑剂的作用,对得到的液晶聚合物体系的机械强度产生不利影响。因此,用聚合物染料代替小分子染料是获得高效光热转换能力同时不会对液晶聚合物基体机械性能产生不利影响的一种有效策略。高光热转换效率的结构基础是分子中的π共轭结构,Yang等^[55]证明了一种经典的共轭聚合物聚苯胺可以植入液晶弹性体中制备光响应致动器。此外,聚苯胺的翠绿亚胺盐形式表现出比翠绿亚胺碱更好的光热性能。该聚苯胺/液晶弹性体复合材料具有优异的力学性能,在近红外光照射下可以提起自身重量200倍的物体。

聚合物染料的另一个例子是低成本且环保的受贻贝启发的聚多巴胺材料。虽然聚多巴胺不具备聚苯胺等聚合物大的共轭结构,但据报道,聚多巴胺纳米粒子在 808 nm波长的光照射下的摩尔消光系数和光热转换效率极高^[56]。此外,聚多巴胺可以通过贻贝中粘附蛋白的一种组分——多巴胺的自聚合轻松制备,并且易于制成有机纳米颗粒或表面涂层。Ji等^[57]发现分散在液晶弹性体基质中或涂覆在其表面的聚多巴胺在近红外光照下会引起温度显著升高,在几秒钟内可升至160℃。Cai 等^[58]证明了聚多巴胺涂覆的液晶弹性体可以在空气和水中工作并具有响应速度快和形变大的优点。这些优异的性能使基于聚多巴胺的可编程软致动器可以作为聚合物振荡器用于太阳能的转换等应用场景^[59]。

2.2 基于光化学分子的复合体系

与基于光热效应的光响应液晶聚合物系统相比,基于光化学反应的体系有成熟的设计策略,因此在有机复合体系中更为常见^[9]。一般来说,能够发生光异构化或光二聚反应的光响应基团,如偶氮苯类、二苯乙烯类、二噻吩乙烯类、螺吡喃类、肉桂酸酯类和查尔酮类等结构,已被证明可以用于设计分子马达或分子开关等智能器件^{[60⇓⇓~63]}。当它们被引入到液晶聚合物中时,其互变异构过程引起的分子形状变化会被超分子协同运动效应放大^[17,61],扰乱液晶的有序结构,从而驱动材料的宏观运动。在多数的研究中,这些光响应基团是被化学键合到液晶聚合物骨架中的^{[64⇓⇓~67]},因此必须仔细对分子结构和合成路线进行设计。为了简化这类体系的制备,研究者们直接将能发生光化学反应的分子掺杂进液晶聚合物中,发现这些功能组分也能够驱动基体的运动^{[68⇓⇓~71]}。

2.2.1 液晶聚合物中掺杂具有光化学反应的染料

偶氮苯是一种典型的常被引入到液晶聚合物体系中的光活性分子。偶氮苯在特定波长的光照射下可以发生可逆的顺反异构。Palffy-Muhoray等^[68]发现掺杂有偶氮染料分散橙I的液晶弹性体基质在受到514 nm绿光照射时弯曲角度超过60°(1.3 W下照射60 ms),并且弯曲速度比之前报道的共价键合的体系快两个数量级以上。此外,该弹性体可以漂浮在水上并在绿光照射下发生游动。

偶氮苯染料的响应波长可以通过调整苯环上的取代基进行调制,甚至可以使其对环境光响应从而制备受环境调控的自适应型致动器。例如,掺杂有氟化偶氮苯染料的液晶聚合物网络薄膜可以在阳光下发生无序振荡,进一步研究发现同时用蓝光(405nm)和绿光(530 nm)照射就可以驱动它发生连续振荡^[69]。这种材料在自主运动、持续自推进的软机器人和由太阳光驱动的自清洁表面等应用方向上具有巨大的潜力。此后,由于制备过程简单,掺杂策略被越来越多地用于设计可光变形液晶聚合物体系。然而,掺杂剂的分子运动需要能够影响到链段的堆积状态才能够产生较好的驱动效果,因此液晶聚合物基体的选择也是非常重要的。

2.2.2 向聚合物基体中复合液晶聚合物

光响应液晶聚合物掺杂剂可以赋予光惰性基体光响应特性。Yu等^[70]将含有可反应基团的偶氮苯液晶聚合物混合到聚氨酯基体中。经过后交联处理,其中的液晶聚合物分散良好,所得共混膜显示出非常快速的单向光致形变行为。通过机械拉伸处理可以诱导液晶基元重新排列,获得可逆的光致形变特性。

将液晶聚合物的组装体直接掺杂到聚合物基质中也能够赋予该复合薄膜光致形变行为。如图4所示,Yu等^[71]制备了含偶氮苯基团的液晶聚合物微粒,并将这些微粒掺杂在光惰性聚合物中得到了一种类“聚合物分散液晶”的薄膜,并利用机械拉伸获得了有序的液晶取向。其中疏水的液晶聚合物微粒的粗糙形态增强了掺杂剂与亲水的基体之间的相互作用,使掺杂剂能够均匀分散,该材料具有优良的光致形变特性。理论上讲,基于这类制备液晶聚合物复合物的策略,可以有多种方法实现光和材料的机械行为的结合。

另一种制备复合膜的方法是用可聚合的含偶氮苯基团的液晶单体混合物填充拉伸的多孔聚乙烯^[66]。聚合后,在基体的孔隙中形成了具有良好取向的液晶网络。在紫外光照射下,该复合薄膜能实现可控的形变。另外一种更为简便的策略是直接将光响应液晶聚合物涂覆到聚酰亚胺薄膜上。对聚酰亚胺薄膜表面进行预摩擦处理可以有效地控制液晶的取向。基于复合膜的可逆光致弯曲特性,研究者证明了这类材料在制备仿生器件(例如模仿合欢叶的昼夜节律现象)等方面具有广阔的应用前景^[1]。

此外,对涂覆在聚酰亚胺薄膜表面的液晶聚合物进行后交联得到的双层结构复合膜在紫外光照射时表现出向聚酰亚胺侧的快速弯曲,并在撤掉光源后立即恢复。这种特性被用来持续推动该薄膜在水面上前进,来模拟海豚通过击打液体/空气界面向前的运动(图5)^[72]。进一步研究发现,如果用热塑性聚合物基质(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯)代替聚酰亚胺薄膜可以使液晶聚合物网络/聚合物复合薄膜具有可编程的特性。基于光惰性聚合物基材的热塑性,可以在双层膜中对形状进行任意编程,形成包括折纸状折叠、左旋和右旋等各种形状^[73]。其中,交联的液晶聚合物网络有助于固定预设的形状,并且用光可以实现对材料的可逆驱动。

这些开创性的工作证明了可以通过改变聚合物基质来调整光响应致动器的功能和特性,因此液晶聚合物复合材料具有巨大的应用潜力。此外,光热和光化学机制可以在有机复合体系中协同工作。例如,Yang等^[74]报道了一种模拟植物卷曲的软致动器,同时具有光可调弯曲和手性扭曲的运动模式。在这种软执行器中,研究者借助双层、双组分策略实现了两种不同的且可通过调节入射光波长(紫外vs近红外)调谐的可逆运动模式(图6)。

3 无机纳米材料/光响应液晶聚合物复合材料

上述的有机染料可以很好地分散在聚合物基质中,但由于其吸收的光能易于被分子运动耗散掉,最终制得的器件通常不具有特别突出的光能-机械能转换效率。大多数有机染料的敏感光源为短波(多为紫外线和可见光),穿透力低且缺乏生物友好性,而近红外响应的有机染料的合成难度很大。因此,目前可用的有机染料仍然非常有限。相比之下,无机光热纳米材料具有非常高的摩尔消光系数和光热转换量效率,即使含量极低也可以诱导液晶聚合物发生光能-机械能转换^[75]。例如,Zhao等^[26]报道了一个掺杂金纳米棒(0.05 wt%)的液晶网络体系在785nm的近红外光(6.7 W/cm²)照射下,在40 s内温度即可升高至175℃。而且,通过加入吸收长波长光并发射短波长光的无机纳米材料,即上转换材料,可以改变复合材料本身的敏感波长。因此,无机纳米材料被广泛应用于光致形变的液晶聚合物复合材料和器件的制备。目前最为常见的各种无机纳米材料,如金纳米棒和石墨烯等,都表现出很高的光热转换效率,在光照下可在数十秒内将材料内部温度升高至液晶清亮点以上(多为100℃左右甚至更高)^[76,77]。此外,这些组分的形状和排列通常在调节材料功能方面起着重要作用。

3.1 纳米粒子掺杂的复合材料

一般来说,纳米粒子被认为是零维纳米材料,在空间上是各向同性的。其中,决定复合材料性能的关键因素是纳米粒子的光热转换效率以及它们和聚合物基质的相容性。金属纳米粒子是一类典型的具有表面等离子体共振效应的纳米材料,具有很高的光热转换效率^[78]。然而,纳米粒子易于聚集的特点以及无机组分和有机基质相容性差限制了这一类复合材料的制备^[76,78,79]。因此,对纳米粒子进行修饰使其作为交联剂以实现良好的分散是一种可行的策略。例如,金纳米粒子与液晶单体进行化学键合形成交联剂,然后共价结合到液晶网络中。不仅能够实现均匀分布,而且颗粒的球形外观不会干扰液晶长程有序,且不会对机械性能产生不利影响^[79]。Wang 等证明了基于表面等离子体共振效应可以实现银纳米粒子/液晶弹性体复合材料的光能-机械能转化。他们发现,即使银纳米颗粒的含量很低(0.04至0.20 wt%),可见光照射也可以驱动材料发生快速可逆的形变。更重要的是,掺杂少量的纳米颗粒(0.20 wt%)甚至可以将致动器在接近清亮点温度下的拉伸强度提高约60%^[80]。

上转换粒子是另外一类常用于制备液晶聚合物复合体系的材料,它可以吸收连续波段的近红外光并将其中的可用能量转移到其他生色团单元中。Yu等^[81]将 NaYF₄:Yb/Tm (~70 nm) 上转换纳米磷光体掺入含偶氮单元的光响应液晶网络中,所得的复合膜在近红外光照射下表现出可逆的快速形变能力(图7a) 。其机制是上转换发光触发偶氮单元的光异构化和液晶基元的重排时发生了能量的转移。然而,该体系需要用功率密度在15 W/cm² 以上的高强度激光激发,会引起过热效应对材料产生不利影响。因此,Yu等^[82]进一步开发了一种双染料有机上转换系统,以荧光染料为湮灭剂、Pt(Ⅱ)配合物为敏化剂,基于三重态-三重态湮灭实现了低功率红外光驱动的光致形变(图7b )。此外,光化学组分和上转换纳米粒子可以协同工作。研究者们用偶氮苯染料和包含NaYF₄的核壳上转换纳米粒子(~20nm,Yb 25 mol%/Er 2 mol%@NaYF₄:Nd 30mol%)掺杂的聚氨酯复合体系成功实现了紫外可见近红外全波长响应的形状记忆^[83]。

3.2 纳米棒或纳米管掺杂的复合材料

棒状金属纳米材料可以被单轴取向并显示独特的形状相关的局部表面等离子体共振效应。因此,材料中金属纳米棒的排列会与液晶聚合物基体中的液晶取向相互影响。此外,相容性和易聚集依然是这类复合材料制备过程中常面临的问题^[84]。Yang等^[85]利用三步硫烯点击的策略制备了近红外光响应的金纳米棒/液晶弹性体纤维。研究发现,分散良好的金纳米棒在非常低的负载水平(0.09 wt%)下,被808 nm近红外光照射10 min可升温至50℃,从而驱动液晶弹性体发生可逆形变。然而,制备可光致形变的液晶致动器并不总是需要将金纳米棒化学键合到液晶聚合物中。对纳米棒进行适当修饰也是一种有效的策略。例如,含硫醇侧基的聚(3-巯基丙基甲基硅氧烷)(PMMS)修饰的金纳米棒稳定性良好,且可以在液晶弹性体基体中实现良好的分散,在808 nm近红外光照射下可以迅速升温至100℃ 以上,高出空白对照组近80℃^[86]。这些特性使复合材料在制备多模式近红外光驱动器件方面表现出非凡的潜力。

在上述体系中进一步加入对紫外光敏感的动态交联剂可以使材料具有可重加工性,从而拓展其在精确控制多功能器件中的应用。通过优化其中的液晶取向和纳米棒取向,材料会具有快速响应速度、可循环性以及从单片薄膜转化成多种形状的能力。光照时借助图案化光掩模可产生热梯度,可以在高空间分辨率下对材料的复杂微结构进行编辑,这将极大拓宽无线控制的自适应型软机器人的形变模式^[87]。

碳纳米管具有超大的长径比(一般在一千以上),因此被认为是一种一维纳米材料。由于其中共轭 C—C键的特性以及形状和尺寸的影响,碳纳米管具有优异的导电性、导热性、机械性能和高介电各向异性。据报道,单壁碳纳米管的带隙跃迁使它在可见光到近红外区域表现出强烈特征吸收,因此具有优异的光热转换效率^[88]。Chen等^[89]使用刚性共轭大分子聚(对亚苯基乙炔)(PPE)对多壁碳纳米管进行非共价修饰,并将它们分散在向列相的液晶弹性体基质中。所制得的复合材料在极低的碳纳米管负载水平(0.1 wt%~0.2 wt%)下表现出优良的红外光诱导可逆应变(~30%)能力。

此外,这种类型的光响应液晶聚合物可以由强度约为100 mW/cm²的宽波段的光来驱动,提高了材料的实用性^[90]。进一步研究表明,碳纳米管的含量会影响材料的机械性能和光学特性,并显著改变材料的变形行为、驱动速度和应变的方式^[91,92]。

Chen等^[93]发现将单壁碳纳米管与近红外有机染料结合掺入液晶聚合物中,可以开发具有波长选择性、红外光驱动的铰链器件,该铰链可以为各种遥控软机器人(包括主动折纸结构、捕蝇器启发的抓手和爬行尺蠖等)提供动力(图8a)。碳纳米管/液晶聚合物复合材料和器件具有多种潜在应用,比如利用图案化的策略可以实现智能驱动和微结构控制^[94]。此外,含有图案化的泡状单畴区域的多畴碳纳米管/液晶弹性体复合薄膜被做成了触觉致动器,被用在新型盲文阅读设备中为视障人士提供帮助^[95]。

除了单壁碳纳米管外,多壁碳纳米管也可用作液晶聚合物的光功能添加剂。与单壁碳纳米管相比,多壁碳纳米管在聚合物基质中具有更好的分散性,因此可以在更低含量下显著增强材料对红外光和可见光的响应^[96]。通过调控碳纳米管的取向,可以在碳纳米管/聚合物复合材料中实现多种类型的光控运动,包括二维向光/非向光性弯曲、三维螺旋变换等^[97]。规整排列的碳纳米管阵列对材料的光机械行为也有独特的影响。Peng和Yu等^[98]发现在含偶氮苯的碳纳米管/液晶网络复合体系中,液晶取向可以垂直于纳米管的取向方向,使材料在紫外光照射下发生可逆的背光弯曲,而且规整排列的碳纳米管还提高了复合材料的力学强度和导电性。将碳纳米管阵列加工成薄片,然后复合在含偶氮苯的液晶网络的夹层结构中,可以诱导液晶的取向,该复合材料在紫外和可见光交替照射下可以发生可逆形变(图 8b)^[99]。

此外,将碳纳米管掺入含有光化学官能团的液晶聚合物中可以实现波长控制的选择性运动。为了将光化学诱导相变和光热诱导相变结合到一个系统中,Yang等^[100]将碳纳米管掺杂到侧链上含偶氮苯基元的聚硅氧烷基液晶弹性体中。通过合理设计液晶基元的取向,该复合液晶弹性体在光照射时会发生弯曲形变,而在近红外光照射下会发生收缩形变。这些研究表明,通过有机和无机光响应组分的协同作用,可以将不同的光能-机械能转换机制结合在一起,进一步拓宽了无机/有机液晶聚合物复合体系在复杂软器件中的潜在应用。

3.3 纳米片层掺杂的复合材料

二维纳米材料也可用作光致形变的液晶聚合物中的光敏剂。它们的片状或层状结构会对材料的机械性能和光响应行为产生影响。石墨烯是一种典型的二维纳米材料,掺入聚合物基体中可以使其对近红外光产生响应^[101]。然而,石墨烯与聚合物基体的不相容性以及其易于自聚集的趋势通常会导致它们在基体中分布过于随机。较弱的界面粘合力往往带来不均匀的复合,导致对材料的驱动能力较弱,变形相对较小,响应较慢^[102]。

利用液晶单体原位紫外光聚合制备石墨烯/液晶弹性体体系并同时进行热拉伸取向,可以解决上述问题^[103]。其中,聚合物侧链上的芳族液晶基元有利于稳定石墨烯片,并通过芳香环和石墨烯之间的π-π堆积诱导石墨烯的均匀分散。拉伸过程可以使液晶基元和石墨烯片的取向具有一定的协同性,因此在该复合体系中实现了大收缩应变、高驱动应力、高初始灵敏度和快速响应。

氧化石墨烯也是一种非常出色光热转换材料,因此常被用于可逆光响应致动器的制备。氧化石墨烯中的羟基和羧基与聚合物中的羟基和酯基之间的氢键有利于氧化石墨烯的分散^[103]。例如,将氧化石墨烯和小分子液晶混合后直接掺杂到聚合物基体中制备的类聚合物分散液晶薄膜具有近红外光控制的高效光机械行为,在开发微型光机械系统等方向具有很大的应用前景^[104]。基于这种策略,研究者们进一步制造出了具有优良机械强度的紫外可见近红外全波段响应的致动器。这种器件在阳光照射下即可发生快速变形,适用于阳光驱动的智能设备(图9)^[105]。

进一步研究发现,除了可以通过外力改变掺杂剂和液晶的取向来调节材料性能,石墨烯/液晶聚合物光致动器的性能还可以通过调整氧化石墨烯的sp² 杂化程度、液晶基元种类、间隔基团长度、基体和外部光源参数进行调节^[103]。

4 结论与展望

本文总结了基于液晶聚合物复合材料的光控致动器的研究进展。重点讨论了如何利用掺杂的手段赋予液晶聚合物材料光操纵的特性以及掺杂材料的微结构与复合体系性能之间的关系。目前,借助特殊的有机染料和某些无机纳米组分都能够利用光能触发液晶聚合物中液晶相到各向同性相的转变。对用有机染料功能化的复合体系来说,尽管其掺杂量和相容性可以通过化学修饰按需调节,但光能-机械能转换效率始终是此类材料进一步发展和应用的关键限制因素。因此,需要通过复杂的分子结构设计和大量化学合成来获得高效的有机染料。对用无机组分功能化的复合体系来说,基于金属或碳纳米材料光热效应的复合致动器在较宽的波长范围内表现出更强的光吸收,并且可以在非常低的含量下带来高的光机械转换效率。然而,纳米材料的聚集以及与聚合物基体的结合较弱是发展这类体系面临的主要挑战。此外,纳米材料的形状和排列也显著影响液晶的取向。为了获得较为理想的光控软器件,将有机和无机功能组分的优点结合可能是进一步开发具有多种功能的光控可变形液晶聚合物的可靠策略。

如上所述,迄今为止,许多有机染料和无机纳米组分已被证明是驱动液晶聚合物材料变形的有效光敏剂。这些研究已被大量用于开发无线的软机器人等智能器件(图10)^{[20,52,106⇓⇓ ~109]}。例如,Schenning等^[108]报道了一种通过组装含有不同偶氮苯染料的卷曲液晶聚合物薄膜制备的无线软体运输机器人。该机器人可以在蓝光(455 nm)的操纵下多方向移动、拾取货物,并将货物运送到目标位置。此外,将不同的光敏剂整合到一个设备中可以实现不同光的分立操控^[106]。例如,Li等^[16]将不同的光致发色团和光热染料组合制备了一种仿生软机器人设备,它可以基于变形和发光的协同调制来进行伪装。光操纵还可以与其他外部操纵源协同工作,在智能致动器中实现更复杂的功能。近期的一项研究表明,将一个灵活的磁响应PDMS柱作为磁驱动杆和一个光响应液晶聚合物作为光控夹具集成起来,可用于设计表面锚定的人造水生珊瑚息肉,模仿海洋生物在水中的复杂运动^[107]。该器件在磁场的驱动下通过搅拌吸引悬浮目标,并在光的控制下捕获或释放目标。这些具有协同功能和运动的集成型智能软系统可以执行基于传统液晶聚合物或其他功能材料的单组件系统无法完成的任务。

目前,光控可变形液晶聚合物体系主要用于制备尺寸在厘米或毫米级别的智能软器件,未来还有很多可以进一步研究和发展的方向。例如,如何开发更小尺寸的器件用于执行微观环境中的特殊任务,如可以对指定细胞或病毒进行操作的微米级或纳米级的软机器人;如何制备大尺寸的能够在自然环境中甚至外太空环境下进行工作的智能软器件和可穿戴设备。在开发可编程软机器人方面,如何实现器件的运动与环境进行交互,并适应环境的变化。此外,利用液晶的可控排列以及高精确度的空间光调制技术,可以彻底改变基于光控可变形液晶聚合物的智能软器件的设计、制造、操控和应用。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	Li X, Ma S D, Hu J, Ni Y, Lin Z Q, Yu H F. J. Mater. Chem. C, 2019, 7(3): 622.

[2]	Kuang M X, Wang J X, Jiang L. Chem. Soc. Rev., 2016, 45(24): 6833.

[3]	Teyssier J, Saenko S V, van der Marel D, Milinkovitch M C. Nat. Commun., 2015, 6: 6368.

[4]	Yang J J, Zhang X F, Zhang X, Wang L, Feng W, Li Q. Adv. Mater., 2021, 33(14): 2004754.

[5]	Walther A. Adv. Mater., 2020, 32(20): 1905111.

[6]	Wang L, Urbas A M, Li Q. Adv. Mater., 2020, 32(41): 1801335.

[7]	Wang M, Ma D Y, Wang C J. Prog. Chem., 2020, 32: 1452.

[8]	( 王猛, 马丹阳, 王成杰. 化学进展, 2020, 32: 1452.).

[9]	Huang S, Shen Y K, Bisoyi H K, Tao Y, Liu Z C, Wang M, Yang H, Li Q. J. Am. Chem. Soc., 2021, 143(32): 12543.

[10]	Yu H F, Ikeda T. Adv. Mater., 2011, 23(19): 2149.

[11]	Huang S, Chen Y X, Ma S D, Yu H F. Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57(38): 12524.

[12]	Chen L, Bisoyi H K, Huang Y L, Huang S, Wang M, Yang H, Li Q. Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(30): 16394.

[13]	Huang S, Huang Y L, Li Q. Small Struct., 2021, 2(9): 2100038.

[14]	Chen L, Chu D, Cheng Z G, Wang M, Huang S. Polymer, 2020, 208: 122962.

[15]	Wu Y H, Yang Y, Qian X J, Chen Q M, Wei Y, Ji Y. Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(12): 4778.

[16]	Chen Q M, Yang Y, Wei Y, Ji Y. Acta Polym. Sin., 2019, 50(5): 451.

[17]	( 陈巧梅, 杨洋, 危岩, 吉岩. 高分子学报, 2019, 50(5): 451.).

[18]	Huang Y L, Bisoyi H K, Huang S, Wang M, Chen X M, Liu Z Y, Yang H, Li Q. Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(20): 11247.

[19]	Yu H F. Prog. Polym. Sci., 2014, 39(4): 781.

[20]	Xue P, Bisoyi H K, Chen Y H, Zeng H, Yang J J, Yang X, Lv P F, Zhang X M, Priimagi A, Wang L, Xu X H, Li Q. Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(7): 3390.

[21]	Pang X L, Qin L, Xu B, Liu Q, Yu Y L. Adv. Funct. Mater., 2020, 30(32): 2002451.

[22]	Dong L L, Zhao Y. Mater. Chem. Front., 2018, 2(11): 1932.

[23]	White T J. J. Polym. Sci. B Polym. Phys., 2018, 56(9): 695.

[24]	Sydney Gladman A, Matsumoto E A, Nuzzo R G, Mahadevan L, Lewis J A. Nat. Mater., 2016, 15(4): 413.

[25]	Lu H F, Wang M, Chen X M, Lin B P, Yang H. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141(36): 14364.

[26]	Gelebart A H, Jan Mulder D, Varga M, Konya A, Vantomme G, Meijer E W, Selinger R L B, Broer D J. Nature, 2017, 546(7660): 632.

[27]	Wang Z J, Cai S Q. J. Mater. Chem. B, 2020, 8(31): 6610.

[28]	Lu X L, Zhang H, Fei G X, Yu B, Tong X, Xia H S, Zhao Y. Adv. Mater., 2018, 30(14): 1706597.

[29]	Lv J A, Liu Y Y, Wei J, Chen E Q, Qin L, Yu Y L. Nature, 2016, 537(7619): 179.

[30]	Liu Q, Liu Y Y, Lv J A, Chen E Q, Yu Y L. Adv. Intell. Syst., 2019, 1(6): 1900060.

[31]	Shahsavan H, Salili S M, Jákli A, Zhao B X. Adv. Mater., 2017, 29(3): 1604021.

[32]	Wang Y P, Yang X B, Chen Y F, Wainwright D K, Kenaley C P, Gong Z Y, Liu Z M, Liu H, Guan J, Wang T M, Weaver J C, Wood R J, Wen L. Sci. Robot., 2017, 2(10): eaan8072.

[33]	Liu D Q, Liu L, Onck P R, Broer D J. Proc. Natl. Acad. Sci., 2015, 112: 3880.

[34]	Liu D Q, Broer D J. Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53(18): 4542.

[35]	Bisoyi H K, Li Q. Acc. Chem. Res., 2014, 47(10): 3184.

[36]	Ohzono T, Suzuki K, Yamaguchi T, Fukuda N. Adv. Opt. Mater., 2013, 1(5): 374.

[37]	Mehta K, Peeketi A R, Liu L, Broer D, Onck P, Annabattula R K. Appl. Phys. Rev., 2020, 7(4): 041306.

[38]	Kotikian A, Truby R L, Boley J W, White T J, Lewis J A. Adv. Mater., 2018, 30(10): 1870063.

[39]	Ube T, Ikeda T. Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53(39): 10290.

[40]	Petsch S, Rix R, Khatri B, Schuhladen S, Müller P, Zentel R, Zappe H. Sens. Actuat. A Phys., 2015, 231: 44.

[41]	Zheng Z G, Li Y N, Bisoyi H K, Wang L, Bunning T J, Li Q. Nature, 2016, 531(7594): 352.

[42]	Wang L, Li Q. Chem. Soc. Rev., 2018, 47(3): 1044.

[43]	Yamada M, Kondo M, Mamiya J I, Yu Y L, Kinoshita M, Barrett C, Ikeda T. Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47(27): 4986.

[44]	Zeng H, Wani O M, Wasylczyk P, Kaczmarek R, Priimagi A. Adv. Mater., 2017, 29(30): 1701814.

[45]	Hu J, Wang W Z, Yu H F. Adv. Intell. Syst., 2019, 1(8): 1900050.

[46]	Cresta V, Romano G, Kolpak A, Zalar B, Domenici V. Polymers, 2018, 10(7): 773.

[47]	Ji Y, Marshall J E, Terentjev E M. Polymers, 2012, 4(1): 316.

[48]	Verpaalen R C P, Engels T, Schenning A P H J, Debije M G. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12(35): 38829.

[49]	Bisoyi H K, Urbas A M, Li Q. Adv. Opt. Mater., 2018, 6(15): 1800458.

[50]	Gelebart A H, Vantomme G, Meijer E W, Broer D J. Adv. Mater., 2017, 29(18): 1606712.

[51]	Gelebart A H, Mulder D J, Vantomme G, Schenning A P H J, Broer D J. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56(43): 13436.

[52]	Spence G T, Hartland G V, Smith B D. Chem. Sci., 2013, 4(11): 4240.

[53]	Guo L X, Liu M H, Sayed S M, Lin B P, Keller P, Zhang X Q, Sun Y, Yang H. Chem. Sci., 2016, 7(7): 4400.

[54]	Nie Z Z, Zuo B, Wang M, Huang S, Chen X M, Liu Z Y, Yang H. Nat. Commun., 2021, 12: 2334.

[55]	Liu L, Liu M H, Deng L L, Lin B P, Yang H. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(33): 11333.

[56]	Ge F J, Yang R, Tong X, Camerel F, Zhao Y. Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57(36): 11758.

[57]	Liu W, Guo L X, Lin B P, Zhang X Q, Sun Y, Yang H. Macromolecules, 2016, 49(11): 4023.

[58]	Liu Y L, Ai K L, Liu J H, Deng M, He Y Y, Lu L H. Adv. Mater., 2013, 25(9): 1353.

[59]	Li Z, Yang Y, Wang Z H, Zhang X Y, Chen Q M, Qian X J, Liu N, Wei Y, Ji Y. J. Mater. Chem. A, 2017, 5(14): 6740.

[60]	Tian H M, Wang Z J, Chen Y L, Shao J Y, Gao T, Cai S Q. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10(9): 8307.

[61]	Lan R C, Sun J, Shen C, Huang R, Zhang Z P, Zhang L Y, Wang L, Yang H. Adv. Mater., 2020, 32(14): 1906319.

[62]	Wang H, Bisoyi H K, Li B X, McConney M E, Bunning T J, Li Q. Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(7): 2684.

[63]	Li Y N, Wang M F, White T J, Bunning T J, Li Q. Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52(34): 8925.

[64]	Lin S Y, Gutierrez-Cuevas K G, Zhang X F, Guo J B, Li Q. Adv. Funct. Mater., 2021, 31(7): 2007957.

[65]	Kondo M. Polym. J., 2020, 52(9): 1027.

[66]	Yu Y L, Nakano M, Ikeda T. Nature, 2003, 425(6954): 145.

[67]	Li M H, Keller P, Li B, Wang X, Brunet M. Adv. Mater., 2003, 15(78): 569.

[68]	Ryabchun A, Bobrovsky A, Stumpe J, Shibaev V. Macromol. Rapid Commun., 2012, 33(11): 991.

[69]	Yang R, Zhao Y. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56(45): 14202.

[70]	Camacho-Lopez M, Finkelmann H, Palffy-Muhoray P, Shelley M. Nat. Mater., 2004, 3(5): 307.

[71]	Kumar K, Knie C, BlÉger D, Peletier M A, Friedrich H, Hecht S, Broer D J, Debije M G, Schenning A P H J. Nat. Commun., 2016, 7: 11975.

[72]	Pang X L, Xu B, Qing X, Wei J, Yu Y L. Macromol. Rapid Commun., 2018, 39(1): 1700237.

[73]	Yu H F, Dong C, Zhou W M, Kobayashi T, Yang H. Small, 2011, 7(21): 3039.

[74]	Ma S D, Li X, Huang S, Hu J, Yu H F. Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58(9): 2655.

[75]	Verpaalen R C P, Pilz da Cunha M, Engels T A P, Debije M G, Schenning A P H J. Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(11): 4532.

[76]	Wang M, Lin B P, Yang H. Nat. Commun., 2016, 7: 13981.

[77]	Anisotropic Nanomaterials: Preparation, Properties and Applications. Eds.: Li Q. Springer, 2015.

[78]	Wang L, Bisoyi H K, Zheng Z G, Gutierrez-Cuevas K G, Singh G, Kumar S, Bunning T J, Li Q. Mater. Today, 2017, 20(5): 230.

[79]	Yuan Z K, Xiao X F, Li J, Zhao Z, Yu D S, Li Q. Adv. Sci., 2018, 5(2): 1700626.

[80]	Jain P K, Huang X H, El-Sayed I H, El-Sayed M A. Acc. Chem. Res., 2008, 41(12): 1578.

[81]	WÓjcik M M, WrÓbel J, Jańczuk Z Z, Mieczkowski J, GÓrecka E, Choi J, Cho M, Pociecha D. Chem. Eur. J., 2017, 23(37): 8912.

[82]	Zhang J D, Wang J, Zhao L N, Yang W L, Bi M, Wang Y C, Niu H Y, Li Y X, Wang B S, Gao Y C, Li C S, Huang X Z. Chem. Res. Chin. Univ., 2017, 33(5): 839.

[83]	Wu W, Yao L M, Yang T S, Yin R Y, Li F Y, Yu Y L. J. Am. Chem. Soc., 2011, 133(40): 15810.

[84]	Jiang Z, Xu M, Li F Y, Yu Y L. J. Am. Chem. Soc., 2013, 135(44): 16446.

[85]	Zhang P, Wu B, Huang S, Cai F, Wang G J, Yu H F. Polymer, 2019, 178: 121644.

[86]	Zhang S J, Pelligra C I, Feng X D, Osuji C O. Adv. Mater., 2018, 30(18): 1705794.

[87]	Yang H, Liu J J, Wang Z F, Guo L X, Keller P, Lin B P, Sun Y, Zhang X Q. Chem. Commun., 2015, 51(60): 12126.

[88]	Wu Z Y, Liu L, Cheng P, Fang J L, Xu T C, Chen D Z. J. Mater. Chem. C, 2019, 7(45): 14245.

[89]	Wang Y C, Dang A L, Zhang Z F, Yin R, Gao Y C, Feng L, Yang S. Adv. Mater., 2020, 32(46): 2004270.

[90]	Hamon M A, Itkis M E, Niyogi S, Alvaraez T, Kuper C, Menon M, Haddon R C. J. Am. Chem. Soc., 2001, 123(45): 11292.

[91]	Yang L Q, Setyowati K, Li A, Gong S Q, Chen J. Adv. Mater., 2008, 20(12): 2271.

[92]	Li C S, Liu Y, Lo C W, Jiang H R. Soft Matter, 2011, 7(16): 7511.

[93]	Ji Y, Huang Y Y, Terentjev E M. Langmuir, 2011, 27(21): 13254.

[94]	Matsuyama A. J. Chem. Phys., 2010, 132(21): 214902.

[95]	Kohlmeyer R R, Chen J. Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52(35): 9234.

[96]	Kim H, Lee J A, Ambulo C P, Lee H B, Kim S H, Naik V V, Haines C S, Aliev A E, Ovalle-Robles R, Baughman R H, Ware T H. Adv. Funct. Mater., 2019, 29(48): 1905063.

[97]	Camargo C J, Campanella H, Marshall J E, Torras N, Zinoviev K, Terentjev E M, Esteve J. J. Micromech. Microeng., 2012, 22(7): 075009.

[98]	Marshall J E, Ji Y, Torras N, Zinoviev K, Terentjev E M. Soft Matter, 2012, 8(5): 1570.

[99]	Deng J, Li J F, Chen P N, Fang X, Sun X M, Jiang Y S, Weng W, Wang B J, Peng H S. J. Am. Chem. Soc., 2016, 138(1): 225.

[100]

Sun X M, Wang W, Qiu L B, Guo W H, Yu Y L, Peng H S. Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51(34): 8520.

[101]

Wang W, Sun X M, Wu W, Peng H S, Yu Y L. Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51(19): 4644.

[102]

Wang M, Sayed S M, Guo L X, Lin B P, Zhang X Q, Sun Y, Yang H. Macromolecules, 2016, 49(2): 663.

[103]

Loomis J, King B, Panchapakesan B. Appl. Phys. Lett., 2012, 100(7): 073108.

[104]

Stankovich S, Dikin D A, Dommett G H B, Kohlhaas K M, Zimney E J, Stach E A, Piner R D, Nguyen S T, Ruoff R S. Nature, 2006, 442(7100): 282.

[105]

Yang Y K, Zhan W J, Peng R G, He C G, Pang X C, Shi D A, Jiang T, Lin Z Q. Adv. Mater., 2015, 27(41): 6376.

[106]

Yu L, Cheng Z X, Dong Z J, Zhang Y H, Yu H F. J. Mater. Chem. C, 2014, 2(40): 8501.

[107]

Cheng Z X, Wang T J, Li X, Zhang Y H, Yu H F. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7(49): 27494.

[108]

Zuo B, Wang M, Lin B P, Yang H. Nat. Commun., 2019, 10: 4539.

[109]

Pilz da Cunha M, Kandail H S, den Toonder J M J, Schenning A P H J. Proc. Natl. Acad. Sci., 2020, 117(30): 17571.

[110]

Pilz da Cunha M, Ambergen S, Debije M G, Homburg E F G A, den Toonder J M J, Schenning A P H J. Adv. Sci., 2020, 7(5): 1902842.

[111]

Wang Z J, Li K, He Q G, Cai S Q. Adv. Mater., 2019, 31(7): 1806849.

[1]	Li X, Ma S D, Hu J, Ni Y, Lin Z Q, Yu H F. J. Mater. Chem. C, 2019, 7(3): 622.
[2]	Kuang M X, Wang J X, Jiang L. Chem. Soc. Rev., 2016, 45(24): 6833.
[3]	Teyssier J, Saenko S V, van der Marel D, Milinkovitch M C. Nat. Commun., 2015, 6: 6368.
[4]	Yang J J, Zhang X F, Zhang X, Wang L, Feng W, Li Q. Adv. Mater., 2021, 33(14): 2004754.
[5]	Walther A. Adv. Mater., 2020, 32(20): 1905111.
[6]	Wang L, Urbas A M, Li Q. Adv. Mater., 2020, 32(41): 1801335.
[7]	Wang M, Ma D Y, Wang C J. Prog. Chem., 2020, 32: 1452.
[7]	( 王猛, 马丹阳, 王成杰. 化学进展, 2020, 32: 1452.).
[8]	Huang S, Shen Y K, Bisoyi H K, Tao Y, Liu Z C, Wang M, Yang H, Li Q. J. Am. Chem. Soc., 2021, 143(32): 12543.
[9]	Yu H F, Ikeda T. Adv. Mater., 2011, 23(19): 2149.
[10]	Huang S, Chen Y X, Ma S D, Yu H F. Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57(38): 12524.
[11]	Chen L, Bisoyi H K, Huang Y L, Huang S, Wang M, Yang H, Li Q. Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(30): 16394.
[12]	Huang S, Huang Y L, Li Q. Small Struct., 2021, 2(9): 2100038.
[13]	Chen L, Chu D, Cheng Z G, Wang M, Huang S. Polymer, 2020, 208: 122962.
[14]	Wu Y H, Yang Y, Qian X J, Chen Q M, Wei Y, Ji Y. Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(12): 4778.
[15]	Chen Q M, Yang Y, Wei Y, Ji Y. Acta Polym. Sin., 2019, 50(5): 451.
[15]	( 陈巧梅, 杨洋, 危岩, 吉岩. 高分子学报, 2019, 50(5): 451.).
[16]	Huang Y L, Bisoyi H K, Huang S, Wang M, Chen X M, Liu Z Y, Yang H, Li Q. Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(20): 11247.
[17]	Yu H F. Prog. Polym. Sci., 2014, 39(4): 781.
[18]	Xue P, Bisoyi H K, Chen Y H, Zeng H, Yang J J, Yang X, Lv P F, Zhang X M, Priimagi A, Wang L, Xu X H, Li Q. Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(7): 3390.
[19]	Pang X L, Qin L, Xu B, Liu Q, Yu Y L. Adv. Funct. Mater., 2020, 30(32): 2002451.
[20]	Dong L L, Zhao Y. Mater. Chem. Front., 2018, 2(11): 1932.
[21]	White T J. J. Polym. Sci. B Polym. Phys., 2018, 56(9): 695.
[22]	Sydney Gladman A, Matsumoto E A, Nuzzo R G, Mahadevan L, Lewis J A. Nat. Mater., 2016, 15(4): 413.
[23]	Lu H F, Wang M, Chen X M, Lin B P, Yang H. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141(36): 14364.
[24]	Gelebart A H, Jan Mulder D, Varga M, Konya A, Vantomme G, Meijer E W, Selinger R L B, Broer D J. Nature, 2017, 546(7660): 632.
[25]	Wang Z J, Cai S Q. J. Mater. Chem. B, 2020, 8(31): 6610.
[26]	Lu X L, Zhang H, Fei G X, Yu B, Tong X, Xia H S, Zhao Y. Adv. Mater., 2018, 30(14): 1706597.
[27]	Lv J A, Liu Y Y, Wei J, Chen E Q, Qin L, Yu Y L. Nature, 2016, 537(7619): 179.
[28]	Liu Q, Liu Y Y, Lv J A, Chen E Q, Yu Y L. Adv. Intell. Syst., 2019, 1(6): 1900060.
[29]	Shahsavan H, Salili S M, Jákli A, Zhao B X. Adv. Mater., 2017, 29(3): 1604021.
[30]	Wang Y P, Yang X B, Chen Y F, Wainwright D K, Kenaley C P, Gong Z Y, Liu Z M, Liu H, Guan J, Wang T M, Weaver J C, Wood R J, Wen L. Sci. Robot., 2017, 2(10): eaan8072.
[31]	Liu D Q, Liu L, Onck P R, Broer D J. Proc. Natl. Acad. Sci., 2015, 112: 3880.
[32]	Liu D Q, Broer D J. Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53(18): 4542.
[33]	Bisoyi H K, Li Q. Acc. Chem. Res., 2014, 47(10): 3184.
[34]	Ohzono T, Suzuki K, Yamaguchi T, Fukuda N. Adv. Opt. Mater., 2013, 1(5): 374.
[35]	Mehta K, Peeketi A R, Liu L, Broer D, Onck P, Annabattula R K. Appl. Phys. Rev., 2020, 7(4): 041306.
[36]	Kotikian A, Truby R L, Boley J W, White T J, Lewis J A. Adv. Mater., 2018, 30(10): 1870063.
[37]	Ube T, Ikeda T. Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53(39): 10290.
[38]	Petsch S, Rix R, Khatri B, Schuhladen S, Müller P, Zentel R, Zappe H. Sens. Actuat. A Phys., 2015, 231: 44.
[39]	Zheng Z G, Li Y N, Bisoyi H K, Wang L, Bunning T J, Li Q. Nature, 2016, 531(7594): 352.
[40]	Wang L, Li Q. Chem. Soc. Rev., 2018, 47(3): 1044.
[41]	Yamada M, Kondo M, Mamiya J I, Yu Y L, Kinoshita M, Barrett C, Ikeda T. Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47(27): 4986.
[42]	Zeng H, Wani O M, Wasylczyk P, Kaczmarek R, Priimagi A. Adv. Mater., 2017, 29(30): 1701814.
[43]	Hu J, Wang W Z, Yu H F. Adv. Intell. Syst., 2019, 1(8): 1900050.
[44]	Cresta V, Romano G, Kolpak A, Zalar B, Domenici V. Polymers, 2018, 10(7): 773.
[45]	Ji Y, Marshall J E, Terentjev E M. Polymers, 2012, 4(1): 316.
[46]	Verpaalen R C P, Engels T, Schenning A P H J, Debije M G. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12(35): 38829.
[47]	Bisoyi H K, Urbas A M, Li Q. Adv. Opt. Mater., 2018, 6(15): 1800458.
[48]	Gelebart A H, Vantomme G, Meijer E W, Broer D J. Adv. Mater., 2017, 29(18): 1606712.
[49]	Gelebart A H, Mulder D J, Vantomme G, Schenning A P H J, Broer D J. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56(43): 13436.
[50]	Spence G T, Hartland G V, Smith B D. Chem. Sci., 2013, 4(11): 4240.
[51]	Guo L X, Liu M H, Sayed S M, Lin B P, Keller P, Zhang X Q, Sun Y, Yang H. Chem. Sci., 2016, 7(7): 4400.
[52]	Nie Z Z, Zuo B, Wang M, Huang S, Chen X M, Liu Z Y, Yang H. Nat. Commun., 2021, 12: 2334.
[53]	Liu L, Liu M H, Deng L L, Lin B P, Yang H. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(33): 11333.
[54]	Ge F J, Yang R, Tong X, Camerel F, Zhao Y. Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57(36): 11758.
[55]	Liu W, Guo L X, Lin B P, Zhang X Q, Sun Y, Yang H. Macromolecules, 2016, 49(11): 4023.
[56]	Liu Y L, Ai K L, Liu J H, Deng M, He Y Y, Lu L H. Adv. Mater., 2013, 25(9): 1353.
[57]	Li Z, Yang Y, Wang Z H, Zhang X Y, Chen Q M, Qian X J, Liu N, Wei Y, Ji Y. J. Mater. Chem. A, 2017, 5(14): 6740.
[58]	Tian H M, Wang Z J, Chen Y L, Shao J Y, Gao T, Cai S Q. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10(9): 8307.
[59]	Lan R C, Sun J, Shen C, Huang R, Zhang Z P, Zhang L Y, Wang L, Yang H. Adv. Mater., 2020, 32(14): 1906319.
[60]	Wang H, Bisoyi H K, Li B X, McConney M E, Bunning T J, Li Q. Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(7): 2684.
[61]	Li Y N, Wang M F, White T J, Bunning T J, Li Q. Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52(34): 8925.
[62]	Lin S Y, Gutierrez-Cuevas K G, Zhang X F, Guo J B, Li Q. Adv. Funct. Mater., 2021, 31(7): 2007957.
[63]	Kondo M. Polym. J., 2020, 52(9): 1027.
[64]	Yu Y L, Nakano M, Ikeda T. Nature, 2003, 425(6954): 145.
[65]	Li M H, Keller P, Li B, Wang X, Brunet M. Adv. Mater., 2003, 15(78): 569.
[66]	Ryabchun A, Bobrovsky A, Stumpe J, Shibaev V. Macromol. Rapid Commun., 2012, 33(11): 991.
[67]	Yang R, Zhao Y. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56(45): 14202.
[68]	Camacho-Lopez M, Finkelmann H, Palffy-Muhoray P, Shelley M. Nat. Mater., 2004, 3(5): 307.
[69]	Kumar K, Knie C, BlÉger D, Peletier M A, Friedrich H, Hecht S, Broer D J, Debije M G, Schenning A P H J. Nat. Commun., 2016, 7: 11975.
[70]	Pang X L, Xu B, Qing X, Wei J, Yu Y L. Macromol. Rapid Commun., 2018, 39(1): 1700237.
[71]	Yu H F, Dong C, Zhou W M, Kobayashi T, Yang H. Small, 2011, 7(21): 3039.
[72]	Ma S D, Li X, Huang S, Hu J, Yu H F. Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58(9): 2655.
[73]	Verpaalen R C P, Pilz da Cunha M, Engels T A P, Debije M G, Schenning A P H J. Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(11): 4532.
[74]	Wang M, Lin B P, Yang H. Nat. Commun., 2016, 7: 13981.
[75]	Anisotropic Nanomaterials: Preparation, Properties and Applications. Eds.: Li Q. Springer, 2015.
[76]	Wang L, Bisoyi H K, Zheng Z G, Gutierrez-Cuevas K G, Singh G, Kumar S, Bunning T J, Li Q. Mater. Today, 2017, 20(5): 230.
[77]	Yuan Z K, Xiao X F, Li J, Zhao Z, Yu D S, Li Q. Adv. Sci., 2018, 5(2): 1700626.
[78]	Jain P K, Huang X H, El-Sayed I H, El-Sayed M A. Acc. Chem. Res., 2008, 41(12): 1578.
[79]	WÓjcik M M, WrÓbel J, Jańczuk Z Z, Mieczkowski J, GÓrecka E, Choi J, Cho M, Pociecha D. Chem. Eur. J., 2017, 23(37): 8912.
[80]	Zhang J D, Wang J, Zhao L N, Yang W L, Bi M, Wang Y C, Niu H Y, Li Y X, Wang B S, Gao Y C, Li C S, Huang X Z. Chem. Res. Chin. Univ., 2017, 33(5): 839.
[81]	Wu W, Yao L M, Yang T S, Yin R Y, Li F Y, Yu Y L. J. Am. Chem. Soc., 2011, 133(40): 15810.
[82]	Jiang Z, Xu M, Li F Y, Yu Y L. J. Am. Chem. Soc., 2013, 135(44): 16446.
[83]	Zhang P, Wu B, Huang S, Cai F, Wang G J, Yu H F. Polymer, 2019, 178: 121644.
[84]	Zhang S J, Pelligra C I, Feng X D, Osuji C O. Adv. Mater., 2018, 30(18): 1705794.
[85]	Yang H, Liu J J, Wang Z F, Guo L X, Keller P, Lin B P, Sun Y, Zhang X Q. Chem. Commun., 2015, 51(60): 12126.
[86]	Wu Z Y, Liu L, Cheng P, Fang J L, Xu T C, Chen D Z. J. Mater. Chem. C, 2019, 7(45): 14245.
[87]	Wang Y C, Dang A L, Zhang Z F, Yin R, Gao Y C, Feng L, Yang S. Adv. Mater., 2020, 32(46): 2004270.
[88]	Hamon M A, Itkis M E, Niyogi S, Alvaraez T, Kuper C, Menon M, Haddon R C. J. Am. Chem. Soc., 2001, 123(45): 11292.
[89]	Yang L Q, Setyowati K, Li A, Gong S Q, Chen J. Adv. Mater., 2008, 20(12): 2271.
[90]	Li C S, Liu Y, Lo C W, Jiang H R. Soft Matter, 2011, 7(16): 7511.
[91]	Ji Y, Huang Y Y, Terentjev E M. Langmuir, 2011, 27(21): 13254.
[92]	Matsuyama A. J. Chem. Phys., 2010, 132(21): 214902.
[93]	Kohlmeyer R R, Chen J. Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52(35): 9234.
[94]	Kim H, Lee J A, Ambulo C P, Lee H B, Kim S H, Naik V V, Haines C S, Aliev A E, Ovalle-Robles R, Baughman R H, Ware T H. Adv. Funct. Mater., 2019, 29(48): 1905063.
[95]	Camargo C J, Campanella H, Marshall J E, Torras N, Zinoviev K, Terentjev E M, Esteve J. J. Micromech. Microeng., 2012, 22(7): 075009.
[96]	Marshall J E, Ji Y, Torras N, Zinoviev K, Terentjev E M. Soft Matter, 2012, 8(5): 1570.
[97]	Deng J, Li J F, Chen P N, Fang X, Sun X M, Jiang Y S, Weng W, Wang B J, Peng H S. J. Am. Chem. Soc., 2016, 138(1): 225.
[98]	Sun X M, Wang W, Qiu L B, Guo W H, Yu Y L, Peng H S. Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51(34): 8520.
[99]	Wang W, Sun X M, Wu W, Peng H S, Yu Y L. Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51(19): 4644.
[100]	Wang M, Sayed S M, Guo L X, Lin B P, Zhang X Q, Sun Y, Yang H. Macromolecules, 2016, 49(2): 663.
[101]	Loomis J, King B, Panchapakesan B. Appl. Phys. Lett., 2012, 100(7): 073108.
[102]	Stankovich S, Dikin D A, Dommett G H B, Kohlhaas K M, Zimney E J, Stach E A, Piner R D, Nguyen S T, Ruoff R S. Nature, 2006, 442(7100): 282.
[103]	Yang Y K, Zhan W J, Peng R G, He C G, Pang X C, Shi D A, Jiang T, Lin Z Q. Adv. Mater., 2015, 27(41): 6376.
[104]	Yu L, Cheng Z X, Dong Z J, Zhang Y H, Yu H F. J. Mater. Chem. C, 2014, 2(40): 8501.
[105]	Cheng Z X, Wang T J, Li X, Zhang Y H, Yu H F. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7(49): 27494.
[106]	Zuo B, Wang M, Lin B P, Yang H. Nat. Commun., 2019, 10: 4539.
[107]	Pilz da Cunha M, Kandail H S, den Toonder J M J, Schenning A P H J. Proc. Natl. Acad. Sci., 2020, 117(30): 17571.
[108]	Pilz da Cunha M, Ambergen S, Debije M G, Homburg E F G A, den Toonder J M J, Schenning A P H J. Adv. Sci., 2020, 7(5): 1902842.
[109]	Wang Z J, Li K, He Q G, Cai S Q. Adv. Mater., 2019, 31(7): 1806849.

基金资助

国家自然科学基金项目(52003050)

江苏省自然科学基金项目(BK20200343)

东南大学“至善青年学者”项目资助

PDF (11041KB)

1913

访问

被引

详细

导航

Received	Published	Revised
2021-11-04	2022-09-20	2022-01-06
Online Date
2022-04-01

摘要