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Dual-responsive, shape-switching bilayers enabled by liquid crystal elastomers

双层 材料科学 弹性体 液晶 聚合物 脂质双层力学 复合材料 各向异性 弯曲模量 模数 垂直的 纳米技术 光学 光电子学 化学 抗弯强度 几何学 脂质双层相行为 物理 生物化学 数学
作者
Jennifer M. Boothby,Taylor H. Ware
出处
期刊:Soft Matter [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:13 (24): 4349-4356 被引量:121
标识
DOI:10.1039/c7sm00541e
摘要

Materials that change shape are attractive candidates to replace traditional actuators for applications with power or size restrictions. In this work, we design a polymeric bilayer that changes shape in response to both heat and water by the incorporation of a water-responsive hydrophilic polymer with a heat-responsive liquid crystal elastomer. The distinct shape changes based on stimulus are controlled by the molecular order, and consequently the anisotropic modulus, of a liquid crystal elastomer. In response to water, the hydrophilic polymer layer expands, bending the bilayer along the path dictated by the anisotropic modulus of the liquid crystal elastomer layer, which is approximately 5 times higher along the molecular orientation than in perpendicular directions. We demonstrate that by varying the direction of this stiffer axis in LCE films, helical pitch of the swollen bilayer can be controlled from 0.1 to 20 mm. By spatially patterning the stiffer axis with a resolution of 900 μm2, we demonstrate bilayers that fold and bend based on the pattern within the LCE. In response to heat, the liquid crystal elastomer contracts along the direction of molecular order, and when this actuation is constrained by the hydrophilic polymer, this contraction results in a 3D shape that is distinct from the shape seen in water. Furthermore, by using the vitrification of the dry hydrophilic polymer this 3D shape can be retained in the bilayer after cooling. By utilizing sequential exposure to heat and water, we can drive the initially flat bilayer to reversibly shift between 3D shapes.
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