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化学系杨忠强课题组开发出液晶弹性体旋转微引擎

亚搏官方网1月6日电 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。

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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。

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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。

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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。亚博APP手机版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

供稿:化学系

题图设计:赵存存

编辑:李华山

审核:吕婷

2022年01月06日 10:09:47

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