Жидкокристаллический эластомер
 | Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( Май 2017 г. ) |
Жидкокристаллические эластомеры (ЖКЭ) представляют собой слегка сшитые жидкокристаллические полимерные сетки. себе энтропийную эластичность эластомера Эти материалы сочетают в с самоорганизацией жидкокристаллической фазы. В жидкокристаллических эластомерах мезогены могут либо быть частью полимерной цепи (жидкокристаллические эластомеры с основной цепью), либо присоединяться через алкильный спейсер (жидкокристаллические эластомеры с боковой цепью). [1]
Благодаря своим исполнительным свойствам жидкокристаллические эластомеры являются привлекательными кандидатами для использования в качестве искусственных мышц или микророботов .
История
[ редактировать ]LCE были предсказаны Пьером-Жилем де Женном в 1975 году и впервые синтезированы Хейно Финкельманном . [2]
Характеристики
[ редактировать ]В температурном диапазоне жидкокристаллической фазы ориентация мезогена приводит полимерные цепи в вытянутую конформацию. Нагревание образца выше температуры просветления разрушает эту ориентацию, и основная цепь полимера может релаксировать в (более предпочтительную) конформацию случайного клубка. Это может привести к макроскопической обратимой деформации. Хорошая активация требует хорошего согласования директоров доменов перед перекрестным связыванием . Этого можно достичь путем: растяжения предварительно полимеризованного образца, [3] слои фотовыравнивания, [4] магнитные или электрические поля и микрофлюидика . [5] [6]
Механические свойства
[ редактировать ]
Мягкая эластичность
[ редактировать ]Из-за их анизотропии механическая реакция ориентированных нематических LCE варьируется в зависимости от направления приложенного напряжения. Когда напряжение прикладывается вдоль направления выравнивания (параллельно директору , ), деформация реагирует линейно, с наклоном, определяемым модулем Юнга материала . Такое линейное поведение напряжения и деформации продолжается до тех пор, пока материал не достигнет предела текучести, после чего он может затвердеть или деформироваться, прежде чем в конечном итоге выйдет из строя. Форма кривой растяжения-деформации для LCE, растянутых параллельно их направленному направлению, соответствует форме кривой большинства классических каучуков и может быть описана с использованием таких методов, как эластичность каучука .
Напротив, когда напряжение прикладывается перпендикулярно направлению выравнивания, поведение деформации демонстрирует совершенно иную реакцию. Для неограниченного LCE после начальной области, где реакция напряжения-деформации соответствует реакции классических каучуков, материал демонстрирует большое плато, где почти постоянное напряжение приводит к постоянно возрастающей деформации. Термин «мягкая эластичность» описывает эту большую область плато. [7] После достижения критической деформации в этой области реакция напряжения-деформации возвращается к реакции LCE, растянутой в направлении, параллельном их директору.
Теория, используемая для описания мягкой упругости, впервые возникла для объяснения экспериментальных наблюдений явлений в неограниченных ЛКЭ, переориентирующихся в присутствии внешнего электрического поля. [8] Теория мягкой упругости утверждает, что когда LCE растягивается в направлении, перпендикулярном направлению его выравнивания, его цепи вращаются и переориентируются, чтобы выровняться в направлении приложенного напряжения. Если предположить, что цепочкам LCE разрешено свободно перемещаться во всех трех измерениях, то эта переориентация происходит без изменения упругой свободной энергии системы. Это означает, что не существует энергетического барьера для вращения цепей LCE, а это означает, что для их полной переориентации потребуется нулевой стресс.
Экспериментально требуется небольшое, но ненулевое напряжение, чтобы вызвать мягкую эластичность и добиться такого вращения цепи. Это отклонение от теоретического предсказания возникает из-за того, что реальные LCE не являются действительно свободными во всех трех измерениях, а вместо этого геометрически ограничены соседними цепочками. В результате в экспериментальных системах необходимо некоторое небольшое конечное напряжение, чтобы вызвать переориентацию цепи. После того, как цепь полностью повернулась и выровнена параллельно направлению приложенного напряжения, последующая реакция напряжения и деформации снова описывается эластичностью резины.
Мягкая эластичность также использовалась для разработки материалов с уникальными и полезными свойствами. Управляя локальным выравниванием жидких кристаллов в LCE, можно создавать пленки с пространственно изменяющейся механической анизотропией. [9] При растяжении разные участки этих химически однородных пленок растягиваются в разной степени в результате относительной ориентации директора по отношению к приложенному напряжению. Это приводит к локализации деформации в заранее определенных областях. Эта предсказуемая деформация полезна, поскольку позволяет создавать мягкие электронные устройства, которые соответствуют глобальным требованиям, но локально жесткие, гарантируя, что важные компоненты не сломаются при деформации пленки.
Активация
[ редактировать ]При переходе из жидкокристаллической фазы в изотропную (ориентационно-неупорядоченную) фазу или наоборот образец ЖХЭ самопроизвольно деформируется, принимая другую форму. Например, если нематический LCE переходит в изотропное состояние, он будет сжиматься параллельно своему директору и расширяться в перпендикулярной плоскости. Любой стимул, который запускает фазовый переход упорядоченный ⇔ неупорядоченный, может вызвать такое срабатывание (или «активацию»). Таким образом, узорчатое управляющее поле позволяет образцу LCE трансформироваться в радикально другую форму при стимуляции, возвращаясь к своей исходной форме при удалении стимула. Из-за своей обратимости, большой деформации и возможности предписывать чрезвычайно сложные изменения формы этот эффект морфинга формы вызвал большой интерес как потенциальный инструмент для создания мягких машин, таких как приводы или роботы. В качестве простого примера рассмотрим тонкий лист LCE в форме диска с диаграммой направленности в плоскости «концентрических кругов» (везде азимутальной). При нагреве до изотропного состояния диск поднимется в конус, с помощью которого можно поднять вес, в тысячи раз превышающий вес самого LCE. [10]
Азобензолы
[ редактировать ]Помимо термической деформации образца, светочувствительное срабатывание образцов можно получить путем включения азобензолов в жидкокристаллическую фазу. [11] Температура фазового перехода азо , и, таким образом , -жидкокристаллического эластомера может быть снижена за счет транс-цис -изомеризации азобензолов УФ во время -облучения жидкокристаллическая фаза может быть изотермически разрушена . Для жидкокристаллических эластомеров с высокой концентрацией азо можно было наблюдать светозависимое изменение длины образца до 40%. [12] [13]
Приложения
[ редактировать ]LCE был исследован на предмет использования в качестве легкого материала, поглощающего энергию. Наклонные плиты LCE были прикреплены к жестким материалам, напоминающим сотовую решетку. Расположение в несколько слоев позволило материалу прогибаться с разной скоростью при ударе, эффективно рассеивая энергию по конструкции. Увеличение количества слоев увеличивает впитывающую способность. [14] [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ом, Кристиан; Бремер, Мартин; Зентел, Рудольф (28 мая 2010 г.). «Жидкокристаллические эластомеры как авторы исполнительных механизмов и датчиков». Продвинутые материалы . 22 (31): 3366–3387. дои : 10.1002/adma.200904059 . ПМИД 20512812 . S2CID 205235840 .
- ^ PG de Gennes: CR Hebd. Заседания академии. наук, сер. Б (1975). С.101.
- ^ Бергманн, Герд Х.Ф.; Финкельманн, Хейно; Персек, Вирджил; Чжао, Минъян (май 1997 г.). «Жидкокристаллические эластомеры основной цепи» . Макромолекулярная быстрая связь . 18 (5): 353–360. дои : 10.1002/marc.1997.030180501 . ISSN 1022-1336 .
- ^ Уэр, Тейлор Х.; Перри, Закари П.; Миддлтон, Клэр М.; Яконо, Скотт Т.; Уайт, Тимоти Дж. (17 августа 2015 г.). «Программируемые жидкокристаллические эластомеры, полученные фотополимеризацией тиола и ена» . Макробуквы ACS . 4 (9): 942–946. doi : 10.1021/acsmacrolett.5b00511 . ISSN 2161-1653 . ПМИД 35596461 .
- ^ Ом, Кристиан; Флейшманн, Ева-Кристина; Краус, Изабель; Серра, Кристоф; Зентел, Рудольф (08 сентября 2010 г.). «Контроль свойств приводов микрометрового размера из жидкокристаллических эластомеров, приготовленных в микрофлюидной установке» . Передовые функциональные материалы . 20 (24): 4314–4322. дои : 10.1002/adfm.201001178 . ISSN 1616-301X . S2CID 96701386 .
- ^ Хессбергер, Т.; Браун, Л.Б.; Генрих, Ф.; Мюллер, К.; Гиссельманн, Ф.; Серра, К.; Зентел, Р. (2016). «Прямопоточный микрофлюидный синтез жидкокристаллических активирующих частиц Януса» . Журнал химии материалов C. 4 (37): 8778–8786. дои : 10.1039/c6tc03378d . hdl : 11858/00-001M-0000-002B-B9F2-5 . ISSN 2050-7526 . S2CID 138503531 .
- ^ Дей, Сонал; Агра-Койман, Дена; Рен, Желание; Макмаллан, Филип; Гриффин, Ансельм; Кумар, Сатьендра (7 июня 2013 г.). «Мягкая эластичность жидкокристаллических эластомеров с основной цепью» . Кристаллы . 3 (2): 363–390. дои : 10.3390/cryst3020363 . ISSN 2073-4352 .
- ^ Уорнер, М.; Бладон, П.; Терентьев Е.М. (январь 1994 г.). « Мягкая эластичность» — деформация без сопротивления в жидкокристаллических эластомерах» . Журнал физики II . 4 (1): 93–102. Бибкод : 1994JPhy2...4...93W . дои : 10.1051/jp2:1994116 . ISSN 1155-4312 .
- ^ Уэр, Тейлор Х.; Биггинс, Джон С.; Шик, Андреас Ф.; Уорнер, Марк; Уайт, Тимоти Дж. (апрель 2016 г.). «Локализованная мягкая эластичность жидкокристаллических эластомеров» . Природные коммуникации . 7 (1): 10781. Бибкод : 2016NatCo...710781W . дои : 10.1038/ncomms10781 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 4766422 . ПМИД 26902873 .
- ^ Гуин, Тайлер; Сеттл, Майкл Дж.; Ковальски, Бенджамин А.; Огюст, Анезия Д.; Бебло, Ричард В.; Райх, Грегори В.; Уайт, Тимоти Дж. (2018). «Актуаторы из многослойного жидкокристаллического эластомера» . Природные коммуникации . 9 (1): 2531. Бибкод : 2018NatCo...9.2531G . дои : 10.1038/s41467-018-04911-4 . ПМК 6023890 . ПМИД 29955053 .
- ^ Т. Убе, Т. Икеда: Ангью. хим. Межд. Эд. англ. (2014). С. 10290.
- ^ Браун, Л.Б.; Хессбергер, Т.; Зентел, Р. (2016). «Микрофлюидный синтез фоточувствительных актуаторов микрометрового размера на основе жидкокристаллических эластомеров» . Журнал химии материалов C. 4 (37): 8670–8678. дои : 10.1039/c6tc02587k . ISSN 2050-7526 .
- ^ Браун, Лукас; Линдер, Торстен; Хессбергер, Тристан; Зентел, Рудольф (14 декабря 2016 г.). «Влияние сшивающего агента, содержащего азогруппу, на исполнительные свойства фотоактивирующей системы LCE» . Полимеры . 8 (12): 435. дои : 10.3390/polym8120435 . ISSN 2073-4360 . ПМК 6432154 . ПМИД 30974711 .
- ^ Пуйу, Тиби (09 мая 2022 г.). «Этот новый амортизирующий материал защищает, как металл, но легок, как пена» . ЗМЭ Наука . Проверено 10 мая 2022 г.
- ^ Чон, Сын Ёль; Шен, Бэйджун; Траугутт, Николас А.; Чжу, Цзэю; Клык, Лишайник; Якацки, Кристофер М.; Нгуен, Тао Д.; Кан, Сон Хун (2022). «Синергетические механизмы поглощения энергии спроектированными жидкокристаллическими эластомерами» . Продвинутые материалы . 34 (14): 2200272. arXiv : 2110.07461 . дои : 10.1002/adma.202200272 . ПМИД 35128733 .