清华大学杨忠强课题组开发液晶弹性体加捻纤维，首次用于构筑旋转微引擎

“加捻”是把原料丝绕成线的过程，而将纤维加捻，就可以获得纤维旋转形变的势能，对外输出扭转功。然而受限于材料本征性能，开发出免锚定、具备往复刺激响应能力、输出高扭矩与高扭转形变的加捻纤维，仍是一项难题。

近日，清华大学杨忠强副教授课题组开发出了液晶弹性体加捻纤维（LCETF），并首次将这种材料用于构筑旋转微引擎。该研究成果发表在2021年12月21日的《先进材料》（Advanced Materials）上。

文章通讯作者杨忠强副教授告诉果壳：“我们团队近期开发了熔融纺丝技术，并且已经申请相关专利，这种技术可以实现LCE纤维的连续生产，具备使LCE纤维工业化生产的前期基础。”

研究团队首先在模板中通过一步交联得到多畴、部分交联的LCE纤维；随后对纤维进行拉伸、加捻，并通过光照交联固定LCETF的单畴取向。在SEM和偏光显微镜下，可以观察到加捻后纤维扭转纹理的产生以及双折射性质的变化。通过控制加捻多少，可以控制表面扭转角的大小。此外，还可通过控制加捻方向，控制纤维的手性，得到左旋及右旋的LCETF。

LCETF的制备流程、化学组成以及形貌结构特点 | 参考文献[1]

过去的加捻纤维各有优势，但很难同时实现免锚定、往复刺激响应、输出高扭矩与高扭转形变，这就使得加捻纤维的应用受到了限制。研究团队使用的液晶弹性体（LCE）是具备刺激响应能力的材料，同时具备本征形变量大及形变可逆的特点。基于这两个优点，LCETF可以实现往复刺激响应，并且在100个加热冷却循环之后，驱动响应性仍能保持在初始水平。

参考已有研究成果，LCE稳定响应热刺激可以达到10万次以上，循环次数非常可观；同时，由于LCETF是交联网络，所以在输出大扭矩与大扭转形变量的同时，扭转的高分子链也被固定，从而实现了免锚定。

LCETF作为旋转微引擎驱动发电 | 参考文献[1]

此外，该团队进行了一系列热响应形变的探究。结果表明，与以往的两端锚定、单向转动的加捻纤维相比，该团队开发的LCETF不仅免锚定、形变可逆，还能输出高扭矩和高功密度，在应用中更具优势。杨忠强副教授表示，该材料有望用于构建微机电系统、微型机械和微型机器人等领域，前景广阔。

团队还进一步研究了LCETF作为旋转微引擎驱动发电的能力。实验结果证明了LCETF作为旋转微引擎的潜力，并计划未来用LCETF作为能量转化器，基于其响应热刺激发生旋转的特性，可作为发电引擎将低品质热能转化为应用范围更加广泛的高品质电能。

文章第一作者王云鹏告诉果壳，LCETF还存在很大的改进空间。后续我们希望通过调控化学组成，制备复合材料，进一步提高LCETF的输出扭矩，减小LCE纤维的尺寸等，赋予其用作旋转微引擎更加丰富多样的性能。

杨忠强副教授认为，LCETF产业化的最大难点在于给LCETF寻找明确的应用场景，使LCETF在外界刺激下产生的快速旋转运动以及输出的大扭矩这两大特点得到很好地利用。“该材料有望实现能源的再利用，为低碳经济发展提供新技术。我们也十分期待这种新材料的产业化落地。”

[1] Wang, Y.; Sun, J.; Liao, W.; Yang, Z. Liquid Crystal Elastomer Twist Fibers towards Rotating Microengines. Adv. Mater. n/a (n/a), 2107840. https://doi.org/10.1002/adma.202107840.

作者：酥鱼

编辑：靳小明

排版：尹宁流

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