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  智能器件在各類新興和成熟領(lǐng)域（如，能源、航空航天和生物醫(yī)學(xué)）的飛速發(fā)展，帶來(lái)了對(duì)高性能軟體驅(qū)動(dòng)器（soft actuators）的迫切需求。其中，具有熱可重編輯性（Thermal reprogrammability）的軟體驅(qū)動(dòng)器，不僅能夠靈活更改結(jié)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)模式而不受自身形狀限制，并且有望用以構(gòu)建新一代具有高精確度和優(yōu)異形變能力的自適應(yīng)設(shè)備。然而，這種看似迷人性能卻往往以犧牲性能的穩(wěn)定性，如驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性為代價(jià)。熱可重編輯性和與驅(qū)動(dòng)器性能穩(wěn)定性之間致命的矛盾問(wèn)題，阻礙了高性能熱適應(yīng)性軟體驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

  近日，清華大學(xué)吉巖副教授及其研究團(tuán)隊(duì)，受電路控制啟發(fā)，聯(lián)想到如果熱可重編輯性能像電路一樣可靈活“開(kāi)關(guān)”，即在需要進(jìn)行形狀、功能編輯的時(shí)候?qū)⑵浯蜷_(kāi)（ON），而在驅(qū)動(dòng)器工作、儲(chǔ)存的時(shí)候，又能將其完全關(guān)閉（OFF），那么以上矛盾問(wèn)題便可迎刃而解。他們利用一種可淬滅的硅氧動(dòng)態(tài)交換反應(yīng)，借助“合成后溶脹”的處理方法，實(shí)現(xiàn)了反復(fù)“開(kāi)關(guān)”液晶彈性體（LCEs）驅(qū)動(dòng)器的熱可重編輯性（圖1，圖2）。

圖1 （a）可控“開(kāi)關(guān)”液晶彈性體驅(qū)動(dòng)器熱可重編輯性的示意圖；（b）陰離子調(diào)控的動(dòng)態(tài)硅氧交換反應(yīng)。

  這種“合成后溶脹”的處理方法，無(wú)需復(fù)雜的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，便可將硅氧動(dòng)態(tài)交換反應(yīng)在極為常用的經(jīng)典硅氧烷液晶彈性體中激活，實(shí)現(xiàn)由原本惰性的材料制備可編輯的三維復(fù)雜驅(qū)動(dòng)器；而該動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)又可以通過(guò)加熱失活，即關(guān)閉熱可重編輯性，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)、尺寸、性能穩(wěn)定性得到了很好的保證（圖2，圖3）。

圖2 （a）硅氧液晶彈性體化學(xué)結(jié)構(gòu)；（b）通過(guò)開(kāi)關(guān)策略制備穩(wěn)定的單疇液晶彈性體驅(qū)動(dòng)器；（c）熱驅(qū)動(dòng)循環(huán)測(cè)試。

圖3 從普通硅氧液晶彈性體出發(fā)通過(guò)“開(kāi)關(guān)”策略制備三維驅(qū)動(dòng)器

  即使在180℃下高溫環(huán)境中放置超過(guò)72小時(shí)，材料的驅(qū)動(dòng)性能也能保持不變。通過(guò)以上方法的迭代，這類驅(qū)動(dòng)器可反復(fù)進(jìn)行編輯、反復(fù)循環(huán)使用并且兼具卓越的穩(wěn)定性（圖4）。此外，利用黑色墨水進(jìn)行部分圖案化，熱可重編輯性還能夠被局部關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)將完全不同的驅(qū)動(dòng)模式無(wú)縫集成到一個(gè)致動(dòng)器中，以執(zhí)行更精細(xì)和復(fù)雜的任務(wù)（圖5）。

圖4 穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)器的再次編輯、回收

圖5 （a）有選擇性關(guān)閉熱可重編輯性的示意圖；（b）勾狀驅(qū)動(dòng)器的熱驅(qū)動(dòng)，上部產(chǎn)生可逆伸縮驅(qū)動(dòng)，下部產(chǎn)生可逆彎曲驅(qū)動(dòng)；（c）勾狀驅(qū)動(dòng)器的光驅(qū)動(dòng)，僅有下部對(duì)光響應(yīng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)。

  這種開(kāi)關(guān)策略普適性廣、操作簡(jiǎn)便，能用于眾多的硅氧聚合物網(wǎng)絡(luò)，因此，過(guò)去諸多已知的具有獨(dú)特、良好性能的材料均能夠通過(guò)以上方法進(jìn)行改性，從而制備出更多樣的具有穩(wěn)定性能的熱可適應(yīng)器件，將極大地促進(jìn)柔性驅(qū)動(dòng)器、液晶彈性體和硅氧材料的創(chuàng)新和應(yīng)用。

  相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201915694。文章的第一作者為清華大學(xué)化學(xué)系仵雅禾博士，通訊作者為清華大學(xué)吉巖副教授。清華大學(xué)化學(xué)系危巖教授、楊洋博士、陳巧梅博士、錢曉杰博士參與了該研究。

  論文鏈接：

  Liquid crystalline soft actuators with switchable thermal reprogrammability, 

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201915694