近日，荷兰埃因霍温理工大学Albert Schenning团队提出利用真空热成型（VT）工艺将一种新型热塑性液晶弹性体加工成厘米尺度的半球体。该工艺通过将热塑性材料吸入特定的模具中来制备复杂的三维形状，无需后续的光聚合步骤，显著地提升了器件生产效率和可扩展性。依此制备的半球体在由室温加热到110°C时可实现约20%的高度变化，且可从光学不透明状态切换为透明状态，表现出物理和光学性能上的高度可逆性。此外，通过掺杂不同功能性染料，这些半球体在光收集和再分配装置、可控液体容器以及光控运输设备等领域展现出多样化的应用前景。
相关研究以“Vacuum Thermoforming of Optically Switchable Liquid Crystalline Elastomer Spherical Actuators”为题发表于国际知名期刊《Advanced Materials》，第一作者为荷兰埃因霍温理工大学博士研究生岳岚嵩，通讯作者为荷兰埃因霍温理工大学Albert Schenning教授和Michael Debije教授。
在真空热成型过程中，研究者首先将约0.5mm厚的液晶弹性体薄膜放置于中部镂空的半球形模具上，通过真空泵在模具底部施加真空吸力，使薄膜在室温下被吸入模具中形成初步形状；接着将整个模具加热至高于氢键的解离温度130°C，并保持30分钟，以确保材料充分软化并形成所需的半球形结构。随后，待模具冷却至室温，脱模后即可得到具有一定分子取向的LCE半球体。
在加热过程中，随着温度升至液晶分子的向列相到各向同性相的转变温度（Tni），LCE半球体在高度上产生了约20%的收缩，且从不透明状态逐渐变为透明状态，使其下方的物体变得可见。待冷却至室温，半球体又可恢复其初始尺寸和不透明状态，该响应在经过多次热循环后依旧保持不变，表现出高度的可逆性和稳定性。
研究者通过利用有限元模拟和2D-XRD分析表明，LCE在形成半球体过程中会经历双轴应变，而不同位置所经历的应变分布有所不同，其中在半球顶点附近LCE经历等双轴应变，导致分子没有明显的优先取向，散射信号较弱；而在半球的中部和底部则经历不等量的双轴应变，使分子沿着极轴方向更具优先取向，显示出更强的散射信号。
该半球体具有优异的高弹性和记忆性，即便在室温下被团成实心球体或被机械拉伸成一张平整的薄膜，都可通过加热后降温恢复至初始的半球形。并且两个半球体可以通过加热边缘部分结合形成一个完整的球体，该球体在110°C时呈透明状并略微收缩，显示出LCE球体的光学和尺寸变化的可逆性。
此外，研究者通过设计一系列的演示器件，展示了LCE半球体在掺杂不同功能性材料后的创新应用。如掺杂偶氮苯的 LCE半球体在紫外光照射下发生局部可逆形变，从而实现对内部液体的倾倒；掺杂荧光染料的LCE半球体可通过光学引导将入射光引导至其边缘，有望应用于太阳能电池领域，提高能量转换效率；掺杂光热转化材料的LCE半球体暴露在红外光下时，球体表面温度会迅速上升至100°C以上，从而引发材料的热响应行为。当球体被放置在异丙醇液面上，并从一侧照射红外光时，由于马兰戈尼效应，球体会向远离光源的方向移动。
总体而言，研究者向我们展示了首次通过真空热成型工艺成功制备了功能性的3D液晶弹性体，该技术为大规模生产具有复杂三维形状的液晶弹性体开辟了现实可能性。此外，通过结合功能性染料，研究者展示了LCE材料在智能驱动器、光学器件和光控传输等领域中的广阔应用前景，为未来液晶弹性体材料的设计和加工提供了创新的方法，有望广泛应用于需要复杂三维结构和动态响应性能的高科技领域。
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