杨忠强课题组开发出液晶弹性体旋转微引擎

xiehui

自工业革命以来，热机引擎、电机引擎被相继开发并成为生产生活不可或缺的一部分，随着技术的进步，引擎日趋智能化、小型化。而传统热机引擎、电机引擎往往结构复杂、体型大，难以满足实际需求。近年来，加捻这种古老的工艺再次引起科学家的关注。通过对纤维加捻，可以赋予纤维旋转形变的性能，并对外输出扭转功。此外，加捻纤维的直径往往在微米量级，可以在微观尺度实现人们对旋转运动的需求，是构筑微引擎的优异选择。目前，多种加捻纤维已经被开发和报道，但同时材料也存在性能和使用的局限，例如纤维两端需要锚定，无法往复响应外界刺激，输出扭矩较小等。因此，受限于材料本征性能的约束，开发同时具备免锚定、往复刺激响应、输出高扭矩与高扭转形变的加捻纤维，仍是极具挑战性的课题。为攻克以上难题，化学系杨忠强课题组选用了兼具高形变率及可逆形变的液晶弹性体（LCE），开发出了液晶弹性体加捻纤维（LCETF），并首次将该材料用于构筑旋转微引擎。

图1. LCETF的制备流程、化学组成以及形貌结构特点

        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。

图2.LCETF的热响应扭转形变。

        随后，该团队进行了一系列热响应形变的探究。对于传统的、未加捻的LCE纤维，在热刺激下可以发生有序-无序相变，产生长轴方向的收缩。而加捻后的LCE纤维，在热刺激下不仅产生长轴收缩形变，还会产生旋转形变，且随着加捻程度的提高，纤维的扭转形变率也随之升高。若在纤维末端悬挂重物，在热刺激下，LCETF便可带动重物转动，最高转速可达2400rpm，相当于生物实验室中用于收集细胞的离心机转速。去除热刺激，LCETF可以带动重物反向旋转至初始状态，具有可逆响应性。其次，纤维的单位质量输出扭矩可达10.1 N mkg-1，高于已报道的加捻纤维，甚至高于商用电机（6.0 N mkg-1）。并且，LCETF带动重物旋转，其功密度可达115.3kJ m-3，远大于人类骨骼肌（8kJ m-3）。因此，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、可逆形变，还能输出高扭矩和高功密度，在应用中更具优势。有望用于构建微机电系统、微型机械和微型机器人等。

图3.LCETF作为旋转微引擎驱动发电。

        最后，该团队进一步研究了LCETF作为旋转微引擎驱动发电的能力。在往复加热与冷却刺激下，LCETF可以带动悬挂在末端的磁铁往复旋转。转动的磁力线切割铜线，便可以产生感应电动势，线圈中的峰值电压随旋转速度的增加而增加，最高可达9.4 V。整个发电装置的功率密度可达6Wkg-1，接近专业自行车运动员在比赛中的平均功率密度。LCETF转动产生的电能还可以在10分钟内将2200 μF的电容器充至3.0 V，储存电荷高达6.6mC，足以让LED持续发亮5分钟。该结果验证了LCETF作为旋转微引擎的潜力，并有望将LCETF作为能量转化器，将低品质热能转化为应用范围更加广泛的高品质电能。
       以上研究成果发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。清华大学化学系博士生王云鹏为第一作者，化学系杨忠强副教授为通讯作者，化学系博士生孙家豪和廖威参与了该工作。该工作得到了国家自然科学基金的资助。
        论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107840


        文章来源：清华大学