清華新聞網(wǎng)1月6日電 自工業(yè)革命以來(lái)，熱機(jī)引擎、電機(jī)引擎被相繼開(kāi)發(fā)并成為生產(chǎn)生活不可或缺的一部分，隨著技術(shù)的進(jìn)步，引擎日趨智能化、小型化。而傳統(tǒng)熱機(jī)引擎、電機(jī)引擎往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型大，難以滿(mǎn)足實(shí)際需求。近年來(lái)，加捻這種古老的工藝再次引起科學(xué)家的關(guān)注。通過(guò)對(duì)纖維加捻，可以賦予纖維旋轉(zhuǎn)形變的性能，并對(duì)外輸出扭轉(zhuǎn)功。此外，加捻纖維的直徑往往在微米量級(jí)，可以在微觀(guān)尺度實(shí)現(xiàn)人們對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的需求，是構(gòu)筑微引擎的優(yōu)異選擇。目前，多種加捻纖維已經(jīng)被開(kāi)發(fā)和報(bào)道，但同時(shí)材料也存在性能和使用的局限，例如纖維兩端需要錨定，無(wú)法往復(fù)響應(yīng)外界刺激，輸出扭矩較小等。因此，受限于材料本征性能的約束，開(kāi)發(fā)同時(shí)具備免錨定、往復(fù)刺激響應(yīng)、輸出高扭矩與高扭轉(zhuǎn)形變的加捻纖維，仍是極具挑戰(zhàn)性的課題。為攻克以上難題，化學(xué)系楊忠強(qiáng)課題組選用了兼具高形變率及可逆形變的液晶彈性體（LCE），開(kāi)發(fā)出了液晶彈性體加捻纖維（LCETF），并首次將該材料用于構(gòu)筑旋轉(zhuǎn)微引擎。
圖1. LCETF的制備流程、化學(xué)組成以及形貌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
研究團(tuán)隊(duì)首先在模板中通過(guò)一步交聯(lián)得到多疇、部分交聯(lián)的LCE纖維；隨后對(duì)纖維進(jìn)行拉伸、加捻，并通過(guò)光照交聯(lián)固定LCETF的單疇取向。在SEM和偏光顯微鏡下，可以觀(guān)察到加捻后纖維扭轉(zhuǎn)紋理的產(chǎn)生以及雙折射性質(zhì)的變化。通過(guò)控制加捻多少，可以控制表面扭轉(zhuǎn)角的大小。此外，還可通過(guò)控制加捻方向，控制纖維的手性，得到左旋及右旋的LCETF。
圖2.LCETF的熱響應(yīng)扭轉(zhuǎn)形變。
隨后，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列熱響應(yīng)形變的探究。對(duì)于傳統(tǒng)的、未加捻的LCE纖維，在熱刺激下可以發(fā)生有序-無(wú)序相變，產(chǎn)生長(zhǎng)軸方向的收縮。而加捻后的LCE纖維，在熱刺激下不僅產(chǎn)生長(zhǎng)軸收縮形變，還會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)形變，且隨著加捻程度的提高，纖維的扭轉(zhuǎn)形變率也隨之升高。若在纖維末端懸掛重物，在熱刺激下，LCETF便可帶動(dòng)重物轉(zhuǎn)動(dòng)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)2400rpm，相當(dāng)于生物實(shí)驗(yàn)室中用于收集細(xì)胞的離心機(jī)轉(zhuǎn)速。去除熱刺激，LCETF可以帶動(dòng)重物反向旋轉(zhuǎn)至初始狀態(tài)，具有可逆響應(yīng)性。其次，纖維的單位質(zhì)量輸出扭矩可達(dá)10.1 N mkg-1，高于已報(bào)道的加捻纖維，甚至高于商用電機(jī)（6.0 N mkg-1）。并且，LCETF帶動(dòng)重物旋轉(zhuǎn)，其功密度可達(dá)115.3kJ m-3，遠(yuǎn)大于人類(lèi)骨骼?。?kJ m-3）。因此，與以往的兩端錨定、單向轉(zhuǎn)動(dòng)的加捻纖維相比，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的LCETF不僅免錨定、可逆形變，還能輸出高扭矩和高功密度，在應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。有望用于構(gòu)建微機(jī)電系統(tǒng)、微型機(jī)械和微型機(jī)器人等。
圖3.LCETF作為旋轉(zhuǎn)微引擎驅(qū)動(dòng)發(fā)電。
最后，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了LCETF作為旋轉(zhuǎn)微引擎驅(qū)動(dòng)發(fā)電的能力。在往復(fù)加熱與冷卻刺激下，LCETF可以帶動(dòng)懸掛在末端的磁鐵往復(fù)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)的磁力線(xiàn)切割銅線(xiàn)，便可以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，線(xiàn)圈中的峰值電壓隨旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加，最高可達(dá)9.4 V。整個(gè)發(fā)電裝置的功率密度可達(dá)6Wkg-1，接近專(zhuān)業(yè)自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員在比賽中的平均功率密度。LCETF轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電能還可以在10分鐘內(nèi)將2200 μF的電容器充至3.0 V，儲(chǔ)存電荷高達(dá)6.6mC，足以讓LED持續(xù)發(fā)亮5分鐘。該結(jié)果驗(yàn)證了LCETF作為旋轉(zhuǎn)微引擎的潛力，并有望將LCETF作為能量轉(zhuǎn)化器，將低品質(zhì)熱能轉(zhuǎn)化為應(yīng)用范圍更加廣泛的高品質(zhì)電能。
以上研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。清華大學(xué)化學(xué)系博士生王云鵬為第一作者，化學(xué)系楊忠強(qiáng)副教授為通訊作者，化學(xué)系博士生孫家豪和廖威參與了該工作。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107840
供稿：化學(xué)系
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：呂婷
