最新《Nature Materials》：新型智能纺织材料！韧性强、机械变色液晶弹性体纤维！
发布者：刘德桃发布时间：2022-10-08浏览次数：10
自古至今，人类对于服装的革新和追求从未停止，随着科技的不断发展，能够感知和响应环境刺激的智能纺织品逐渐在医疗健康、体育运动和时尚穿戴等多领域受到广泛关注。自2010年在《Nature》报道人工电子皮肤以来，鲍哲南院士组在可穿戴柔性器件取得了许多进展，令人十分神往。而上个月，香港理工大学的学者们也研制出了可以自行调节温度的智能服装，让人们开始相信一衣以度冬夏，冬暖夏凉不是梦！
此外，机械响应性服饰在医疗和时尚等领域的潜在应用也推动了相关的纺织品材料研究，其中，基于胆甾的液晶弹性体具有强烈的机械变色响应，是一类极具潜力的机械响应性纺织品，但由于存在Plateau–Rayleigh不稳定性，因此易于将前体溶液分解成液滴，使得制造适合于纺织品的液晶弹性体纤维备受挑战。最近，来自卢森堡大学的Jan P. F. Lagerwall 教授课题组提出了一种可以平衡前体溶液粘弹特性的简便方法，实现了长且强韧性的胆甾型液晶弹性体（CLCE）纤维制备。在拉伸200 %范围时，该CLCE纤维具有快速、渐进和可逆的机械力致变色反应，变色范围从红色到蓝色（波长移动155 nm），这种新型机械响应性纤维可以作为纺织品缝进衣服里，且能经受反复拉伸和循环机洗。该团队的这一工作以“Robust cholesteric liquid crystal elastomer fibres for mechanochromic textiles”为题发表在《Nature Materials》期刊。该研究中CLCE前体是基于端接丙烯酸酯的液晶低聚物（LCO），在制备CLCE纤维时，其关键是要用二氯甲烷（DCM）对LCO进行稀释（最佳比例为20 wt%的DCM）：DCM过少时会使LCO太硬，从而在伸展成纤维时断裂；DCM过多则会使其太易流动，由于Plateau-Rayleigh不稳定性使纤维变形，甚至在形成之前将其裂解为液滴。此外，研究者还设计了一个简单的自制装置，从而用于循环制造长度更长、尺寸和机械变色性能更可控的CLCE纤维。为了评估CLCE纤维的机械耐久性，研究者在商业机械测试装置中对该纤维进行应变-应力循环测试，并在测试前后对其进行光学表征，发现研究制备的所有CLCE纤维的初始杨氏模量Y0 = 0.5 MPa都低于商用橡胶带的Y0 = 0.99 MPa，也即是具备更好的弹性性质。另外，通过纤维进行反射光谱表征，并投入数十次洗衣周期后再次干燥作循环测试，CLCE的应变-应力曲线都没有表现出超出实验可变性范围的变化，且机械变色响应无明显下降，从而表明CLCE纤维作为智能纺织品的实际应用潜力。研究者进一步设计了两套装置用于评估CLCE纤维，于环境光照下产生的宏观尺度上的机械变色反应，测试初始阶段，纺织物中出现基态颜色为红色和绿色的纤维，在进行动态拉伸时，纤维颜色展现出取决于基态颜色的变绿再至蓝或变蓝再变紫的变化过程。当停止拉伸时，纤维立即恢复其原本的颜色。进一步的，研究者通过将纤维沿90°弧缝入布中，对响应性纤维进行“编程”，以监测平面内应变，结果发现对于任何单轴应变，沿着弧线可以看到一系列机械变色响应，每个针脚可以根据其相对于应变方向的角度显示不同的颜色。总的来说，这项研究提出了一种开发了一种简单的方法，用于制备长CLCE纤维，该纤维在拉伸至200 %时仍表现出良好的全光谱的机械变色响应，且长期使用以及反复机洗过程中可以保持机械和性能稳定性。该研究提出的这种方法和制备的纤维将有望应用于可穿戴智能技术和其他涉及自动应变传感或极强变形检测的领域。
