近年来，智能材料因其具有传感、信息识别、快速响应、自愈和自适应等特征而受到广泛关注。将环境刺激转化为机械功的致动器被广泛应用于智能驱动、软机器人和人工肌肉等领域。作为一类新型的智能材料，液晶弹性体 （LCEs） 是一种轻交联的聚合物网络，它结合了液晶的自组织特性和响应性与聚合物橡胶的熵弹性，具有独特的可逆形变特性。然而，制备具有高驱动率和快速响应的液晶弹性体复合智能材料仍是一项巨大的挑战。
近日，江南大学魏取福教授团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“Fabrication and Photothermal Actuation Performances of Electrospun Carbon Nanotube/Liquid Crystal Elastomer Blend Yarn Actuators”。研究者通过静电纺丝技术和两步交联策略，制备出一种高驱动率、快速响应的光热碳纳米管/液晶弹性体（CNTs/LCEs）复合纤维纱线。与其他光热材料相比，CNTs在可见光和红外光谱波段具有较宽的光吸收、高光热转换效率和良好的导热性，能够将获得的热能迅速传递到复合液晶弹性体纱线上，从而实现有效的光热驱动。
此外，由于其各向异性、可逆和可编程的形状变形特性，CNTs/LCEs复合纱线特别适用于具有各种机器人运动（如抓取、行走和爬行）的刺激驱动致动器，在人工肌肉和智能纺织品中具有潜在的应用前景。
图1：静电纺丝CNTs/LCEs复合纤维致动器制备工艺示意图。
采用静电纺丝技术制备了CNTs/LCEs复合纤维膜并对纤维膜进行加捻和加热牵伸，得到CNTs/LCEs纱线，最后，将拉伸定型的CNTs/LCEs纱线进行UV交联，得到了具有光热响应的CNTs/LCEs纱线。CNTs/LCEs复合纱线具有近70%的可逆收缩率、16.45 MPa的拉伸强度和相对灵敏的响应速度（~3 S），可通过光热驱动实现快速响应。
图2：LCEs纱线致动器和CNTs/LCEs纱线致动器的物理形貌和化学结构表征。
如图2A和图2B所示，静电纺丝LCEs超细纤维和复合超细纤维的直径范围分别为0.2~0.5 μm和1~3 μm。同时，从图2D和图2E可以看出，CNTs对纤维的均匀性和形貌具有一定的影响。纯LCEs纱线具有致密的纤维簇状结构。然而，CNTs的加入使纤维在纱线中结合松散，从而产生大量的间隙结构。
图3：CNTs/LCEs复合纱线的热驱动性能测试。
图4：LCEs纱线和CNTs/LCEs复合纱线的光热驱动性能测试。
本研究制备了基于先前报道的巯基-丙烯酸酯点击化学反应的CNTs/LCEs复合纱线（图3）。当纱线加热到相变温度时，分子内部的液晶基元从有序状态变为无序状态，冷却后又恢复到原来的状态，宏观上表现为CNTs/LCEs复合纱线长度的变化（图3B）。LCEs纱线和CNTs/LCEs复合纱线表现出优异的热致动性能，致动变形率接近70%，明显高于文献报道的40%~50%。
图5：CNTs/LCEs纱线的人工。肌肉应用场景及性能测试。
受人类的骨骼肌肉系统的启发，研究人员制备了一种基于CNTs/LCEs纱线的人工肌肉，如图5A所示。在单轴液晶基体中使用CNTs可实现具有大工作能力和快速响应的光热致动。为了模拟实际应用场景，设计并制作了基于CNTs/LCEs纱线的红外光控制人工肌肉。在周期性红外光照射下，验证了CNTs/LCEs纱线模拟人工肌肉的可能性。当暴露在光线下时，复合纱线收缩并抬起前臂，同时固定大臂。当纱线连接到人工肌肉表面时，在相同的照射功率（1.27 W）和光斑面积（0.85 mm2）下，人工肌肉弯曲角度分别为145°至85°。因此，具有高驱动率、快速响应和良好的机械性能的柔性CNTs/LCEs纱线，在致动器、人工肌肉和智能纺织品等众多领域具有潜在的应用前景。
论文链接： https://doi.org/10.1021/acsami.3c18164
人物简介：
吕鹏飞：江南大学研究员，硕士生导师/院长助理，中国科协青年人才托举工程入选者。2019年获江南大学与北卡罗来纳州立大学联合培养博士学位，2019-2021年在天津大学材料学院从事博士后研究。目前主要从事功能纺织纤维材料的设计及在柔性可穿戴、软机器人和热管理等领域的应用研究。近年来，以第一/通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、Nano Energy、Adv. Sci.、Mater. Horiz.和Adv. Fiber Mater.等期刊发表论文30余篇，他引2700余次，H-因子28，申请/授权国家发明专利13项。主持中国科协青年人才托举工程项目、国家自然科学基金项目、江苏省局重大科技计划课题、江苏省自然科学基金面上项目、天津市“海河英才”青年人才项目和中国博士后科学基金等科研项目10余项，相关成果获新疆自然科学二等奖、2023年度发明创新奖、江苏省优秀博士学位论文和王善元全国优秀博士学位论文基金等科研奖励。
魏取福：江南大学教授，博士研究生导师。现任江南大学生态纺织教育部重点实验室主任，入选教育部新世纪优秀人才、江苏省“333高层次人才培养工程”首批中青年科学技术带头人和江苏省“六大高峰人才”计划。中国纺织工程学会理事，Textile Bioengineering and Informatics Society (TBIS)国际执委会委员。研究成果获得教育部自然科学二等奖、新疆维吾尔自治区自然科学二等奖和中国商业联合会科学技术奖一等奖等。指导的博士研究生获得全国优秀博士论文提名奖、江苏省优秀博士论文等。先后主持承担了国家重点研发计划、国家高技术研究计划（863）、国家自然科学基金、科技部科研院所专项和教育部创新团队等国家（或省部级）项目及多项企业合作项目。近年来共发表SCI收录论文500多篇，他引13000余次，H-因子55，主编英文学术专著2部，2020-2022连续三年爱思唯尔“中国高被引学者”。
