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Angew. Chem. :基于动态聚集诱导发光分子实现液晶驱动器的网络可视化、驱动极限预警及高度可重编程性2022-11-26
共价自适应液晶网络 (Covalent adaptable liquid crystal networks, CALCNs) 是一类利用动态共价键将液晶基元的有序排列锁定于交联聚合物网络中的智能驱动材料。相较于传统的永久性交联液晶材料,CALCNs不仅能确保快速、可逆及大幅度的形变能力,还能基于其交联点的可逆性实现材料的形状/微结构编程性、自愈合性、重复加工性及可回收性等。这些特性使得CALCNs能够被定制成各类精巧的驱动器来实现复杂的仿生运动及形变,从而在软体机器人、人造肌肉等领域有着广泛的应用。然而,尽管可逆化学键于CALCNs至关重要,但其易受意外的环境变化或不当的驱动条件影响,致使网络结构瓦解以及驱动器失效。

针对这一问题,近日,加拿大舍布鲁克大学赵越教授和阿尔伯塔大学曾宏波院士合作,将动态聚集诱导发光(Aggregation-induced emission,AIE)分子同时作为动态交联点和荧光探针引入到CALCNs中(即AIE-CALCNs),实现了对材料的交联结构和驱动性能的同步、快速和无损的可视化,赋予了材料驱动极限预警功能。同时,伴随着交联网络的可视化,该AIE-CALCNs进一步展现出了高度可重编程性。

 

 

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AIE-CALCNs由呋喃接枝液晶聚合物(LCP-F)和马来酰亚胺双取代四苯乙烯(TPE-2MI)通过狄尔斯–阿尔德(DA)反应制备而成。其中TPE-2MI作为可调荧光基团和动态交联剂。当AIE-CALCNs中有序的液晶基元被形成的DA加成物锁定在交联结构中时,材料能在加热-冷却的循环中实现可逆形变,并同时在365 nm紫外光照下发射荧光。另一方面,当高温导致逆DA反应发生时,材料失去交联结构,丧失驱动性能并产生荧光猝灭现象。这是由于TPE-2MI中马来酰亚胺基团通过光诱导电子转移机理(PET)致使聚集的四苯乙烯基团荧光猝灭,而TPE-2MI与LCP-F形成DA加成物后,PET过程被阻断,四苯乙烯聚集体能恢复聚集诱导发光现象。因此,AIE-CALCNs的动态荧光能实时、无损地监测材料的交联结构及其驱动性能。

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有趣的是,AIE-CALCNs制成的人工肌肉不仅能在加热冷却时提起/放下机器人的手臂,其驱动性能和网络状态可通过自身的荧光强度来监控,实现对驱动极限温度的预警,避免过热导致的驱动器失效,从而指导驱动控制并延长使用寿命。

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另一方面,AIE-CALCNs的动态可逆性使其既能在125 ℃下通过DA键的解离交换机理(Dissociative exchange mechanism)被完全重塑(如弹簧驱动器);也能在60 ℃下通过DA键的协同交换机理(Associative exchange mechanism)进行重构(如折纸型驱动器)。这项“荧光-交联-驱动”一体化设计策略极大地提高了液晶驱动器在制造、功能和应用方面的潜力。

文信息

Dynamic AIE crosslinks in liquid crystal networks: visualizing for actuation-guiding, re-bonding for actuation-altering

Dr. Zhi-Chao Jiang, Dr. Yao-Yu Xiao, Jun-Bo Hou, Xin-Shi Chen, Ni Yang, Prof. Dr. Hongbo Zeng, Prof. Dr. Yue Zhao

文章的第一作者为江智超博士。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202211959

 

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