法国巴黎高科李敏慧教授课题组等AFM：液晶弹性体和离子凝胶互穿网络作为可调节的电致驱动器和传感器

研究背景：在过去的几十年里，刺激响应型智能材料已在人造肌肉、人造皮肤或软机器人领域得到成功开发。作为其中重要的一种，液晶弹性体（LCE）可以在各种外部刺激（例如温度，光，电等）下做出极其敏感的可逆形变。虽然温度和光是LCE中最为普遍的刺激手段，但是不如电能方便和实用，特别是对于便携式设备和软机器人。因此，电刺激响应LCE（eLCE）吸引了越来越多研究人员的关注。我们课题组最近报道了一种三层结构的双功能电刺激响应液晶弹性体驱动器i-EAD-LCE，（Small 2024,20,2307565，DOI: 10.1002/smll.202307565）该器件为三层结构，包括中间一层离子导电LCE膜和上下两层导电聚合物电极。根据不同的电刺激，i-EAD-LCE可以实现收缩或弯曲。然而，i-EAD-LCE的机械性能有待提高。我们知道哺乳动物骨骼肌的杨氏模量为10∼60 MPa，驱动应力为0.1∼0.35 MPa。但是i-EAD-LCE的杨氏模量仅为 1.63 MPa，而且无法测量出驱动应力。此外，其传感器的功能也未被观察到。因此，提高 LCE 层的机械性能以制备坚固的三层离子导电高分子智能器件，对于开发新型的驱动器和传感器的至关重要。

基于以上背景，法国巴黎文理大学巴黎高科化学学院李敏慧教授课题组和巴黎塞尔吉大学合作，通过制备液晶弹性体和离子凝胶的互穿网络并结合三层离子导电高分子智能器件（i-EAD）， 成功实现了可调电致双功能驱动器和传感器（i-EAD-IPN-LCE，见图1）。i-EAD-IPN-LCE作为线性驱动器，其杨氏模量、驱动应力和应变分别为51.6 MPa、0.14 MPa和9%，达到骨骼肌的范围。作为弯曲驱动器，输出力为3 mN时，其弯曲形变差为1.18%。并且在9%弯曲形变的机械刺激下，产生 0.4 mV 开路电压，从而能作传感器。因此这种i-EAD-IPN-LCE可用于开发坚固的多自由度电致驱动器和机械传感器。

图 1.(a) 制备i-IPN-LCE（Ionogel网络/LCE 网络）薄膜的各组分的化学结构。(b)制备 PEDOT : PSS 电极的各组分的化学结构。(c)三层 i-EAD-IPN-LCE 作为电致线性和弯曲驱动器。橙色中心层代表离子传导 i-IPN-LCE 薄膜（n 表示液晶取向方向），而两个黑色侧层代表 PEDOT:PSS 电极。根据施加的电压和频率（±5 V，0.1 Hz 或 ±10 V，10 Hz)，i-EAD-IPN-LCE 会执行线性收缩形变或弯曲形变。它可以作为机械臂提起其自身76倍质量的重物，或模拟高尔夫棒击球（俯视图，比例尺 = 4 mm）。(d) i-EAD-IPN-LCE还可以作为传感器将机械弯曲转换为电信号。

图 2. i-EAD-IPN-LCE 的机械和热机械性能及其在方波电位（±10 V，10 Hz）刺激下的线性收缩。(a) 室温下的应力-应变图（应变速率：10 mm/min）。(b)在等应力模式下DMA测得的可逆热驱动应变（加热/冷却速率：± 3 ℃/min，应力：0.02 N）。(c)在等应变模式下DMA测得的热驱动应力（加热/冷却速率：± 3 ℃/min，应变：0.01%）。(d) 无负载时第一个电刺激 (EA)循环期间i-EAD-IPN-LCE 薄膜（黑色）的照片，最大线性收缩率为 9%。(e) 负载为 3.80g时第一个 EA 循环期间i-EAD-IPN-LCE 薄膜（黑色）的照片，负载提升1.7 mm。薄膜的移动部分（长 × 高 × 宽 = 18 × 5.5 × 0.57 mm，比例尺 = 10 mm）被视为驱动器，重量仅为 50 毫克。(f) 无负载时，在四个 EA 循环期间，i-EAD-IPN-LCE的线性收缩率随时间变化图。第 1 次、第 2 次、第 3 次和第 4 次 EA 达到最大收缩的时间分别为 25 s、28 s、39 s和 40 s。(g) 无负载时，在四个 EA 循环期间，电流随时间变化图。

图 3.(a) 电致弯曲原理示意图。(b)i-EAD-IPN-LCE（样品厚度 w = 0.59 mm）在±5V，0.1 Hz电刺激下的弯曲形变照片（比例尺 = 2 mm）。(c)弯曲形变的输出力模拟高尔夫击球（俯视图，比例尺 = 4 mm）。(d) ±5V，0.1 Hz电刺激时电流随时间变化。(e) 由放置在 L = 5 mm 处的激光传感器记录的位移随时间变化。(f) 计算弯曲形变差的关键参数说明。(g) 在 L = 3 mm处，i-EAD-IPN-LCE (w = 0.51 mm) 电致弯曲形变的输出力随时间变化。(h)用于测试 i-EAD-IPN-LCE 作为弯曲传感器的1 Hz、±1 mm正弦位移，。杠杆臂的尖端与 i-EAD-IPN-LCE (w = 0.51 mm) 接触处距夹紧侧的距离 为L = 3 mm。最终对i-EAD-IPN-LCE样品施加的弯曲形变差为9%。(i)显示对机械弯曲刺激响应的开路电压随时间的变化。

这项工作以“Interpenetrating Liquid Crystal Elastomer and Ionogel as Tunable Electroactive Actuators and Sensors”为题发表在《Advanced Functional Materials 》（Adv. Funct. Mater. 2024,2403892, DOI: 10.1002/adfm.202403892）期刊上。法国巴黎文理大学博士生邓亚奎和博士生刘高宇为共同第一作者，法国巴黎文理大学李敏慧教授和巴黎塞尔吉大学的Cédric Vancaeyzeele副教授为共同通讯作者。该工作受到法国国家科研署（French National Research Agency. Grant Number: ANR-22-CE06-0023）和中国国家留学基金委的资助与支持。

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