【材料】清华大学杨忠强课题组Adv. Mater.：开发液晶弹性体旋转微引擎- 大数跨境

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2022-01-15

导读：清华大学杨忠强课题组选用了兼具高形变率及可逆形变的液晶弹性体（LCE），开发出了液晶弹性体加捻纤维（LCETF），并首次将该材料用于构筑旋转微引擎。

自工业革命以来，热机引擎、电机引擎被相继开发并成为生产生活不可或缺的一部分。传统的引擎将热能、电能转化为旋转机械能，从而输出扭转功。随着技术的进步，引擎日趋智能化、小型化。而传统热机引擎、电机引擎往往结构复杂、体型大，难以满足实际需求。近年来，加捻这种古老的工艺再次引起科学家的关注。通过对纤维加捻，可以赋予纤维旋转形变的性能，并对外输出扭转功。此外，加捻纤维的直径往往在微米量级，可以在微观尺度实现人们对旋转运动的需求，是构筑微引擎的优异选择。目前，多种加捻纤维已经被开发和报道，但同时材料也存在性能和使用的局限：例如，石蜡填充加捻后的碳纤维可以在外界刺激下产生高转速（11500 rpm）及高扭矩（8.4 N m kg^-1），但在使用时，两端需要锚定以保持加捻状态；形状记忆高分子加捻纤维可以实现免锚定，但刺激响应形变为单向进行，无法往复响应外界刺激；石墨烯、碳管加捻纤维，虽然可以实现可逆刺激响应，但产生的扭矩较小，最高仅有0.63 N m kg^-1。因此，受限于材料本征性能的约束，开发同时具备免锚定、往复刺激响应、输出高扭矩与高扭转形变的加捻纤维，仍是极具挑战性的课题。

为攻克以上难题，清华大学杨忠强课题组选用了兼具高形变率及可逆形变的液晶弹性体（LCE），开发出了液晶弹性体加捻纤维（LCETF），并首次将该材料用于构筑旋转微引擎。

图1. LCETF的制备流程、化学组成以及形貌结构特点。

该团队利用两步交联策略，通过模板法制备LCETF：首先在模板中通过一步交联得到多畴、部分交联的LCE纤维；随后对纤维进行拉伸、加捻，并通过光照交联固定LCETF的单畴取向。在SEM和偏光显微镜下，可以观察到加捻后纤维扭转纹理的产生以及双折射性质的变化。通过控制加捻多少，可以控制表面扭转角的大小。此外，还可通过控制加捻方向，控制纤维的手性，得到左旋及右旋的LCETF。

图2. LCETF的热响应扭转形变。

随后，研究者们进行了一系列热响应形变的探究。对于传统的、未加捻的LCE纤维，在热刺激下可以发生有序-无序相变，产生长轴方向的收缩。而加捻后的LCE纤维，在热刺激下不仅产生长轴收缩形变，还会产生旋转形变，且随着加捻程度的提高，纤维的扭转形变率也随之升高。若在纤维末端悬挂重物，在热刺激下，LCETF便可带动重物转动，最高转速可达2400 rpm，相当于生物实验室中用于收集细胞的离心机转速。去除热刺激，LCETF可以带动重物反向旋转至初始状态，具有可逆响应性。其次，纤维的单位质量输出扭矩可达10.1 N m kg^-1，高于已报道的加捻纤维，甚至高于商用电机（6.0 N m kg^-1）。并且，LCETF带动重物旋转，其功密度可达115.3 kJ m^-3，远大于人类骨骼肌（8 kJ m^-3）。因此，与以往的两端锚定、单向转动的加捻纤维相比，该团队开发的LCETF不仅免锚定、可逆形变，还能输出高扭矩和高功密度，在应用中更具优势。有望用于构建微机电系统、微型机械和微型机器人等。

图3. LCETF作为旋转微引擎驱动发电。

最后，该团队进一步研究了LCETF作为旋转微引擎驱动发电的能力。在往复加热与冷却刺激下，LCETF可以带动悬挂在末端的磁铁往复旋转。转动的磁力线切割铜线，便可以产生感应电动势。线圈中的峰值电压随旋转速度的增加而增加，最高可达9.4 V。整个发电装置的功率密度可达6 W kg^-1，接近专业自行车运动员在比赛中的平均功率密度。LCETF转动产生的电能还可以在10分钟内将2200 μF的电容器充至3.0 V，储存电荷高达6.6 mC，足以让LED持续发亮5分钟。该结果验证了LCETF作为旋转微引擎的潜力，并有望将LCETF作为能量转化器，将低品质热能转化为应用范围更加广泛的高品质电能。

以上研究成果以“Liquid Crystal Elastomer Twist Fibers towards Rotating Microengines”为题，发表在Advanced Materials 上。清华大学化学系王云鹏博士生为第一作者，杨忠强副教授为通讯作者。孙家豪和廖威博士生参与了该工作。该工作致谢国家自然科学基金。

原文信息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107840

Liquid Crystal Elastomer Twist Fibers towards Rotating Microengines

Yunpeng Wang, Jiahao Sun, Wei Liao, Zhongqiang Yang

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202107840

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