具有智能驱动特性的液晶弹性体-碳纳米管复合材料

背景介绍

软体机器人、人造肌肉一直是智能材料领域的热门方向，人们希望材料能像生物肌肉一样，接收光、电信号就自主发生可逆形变，代替传统笨重的刚性驱动器。

在众多软材料中，液晶弹性体（LCE）被寄予厚望。它是一种轻度交联的高分子材料，集合了液晶的有序特性和橡胶的高弹性。当外界刺激引发液晶相态转变，材料就可以产生大幅度、可复原的形变，非常适合用来制作柔性驱动器。

不过理想很丰满，现实却有不少难题。想要让液晶弹性体稳定工作，必须让内部液晶分子实现宏观有序排列。传统制备手段大多只能做出简单单向变形的器件；如果想要一块材料实现复杂、分区可控的形变，就要用到图案化磁场、光刻、光取向等复杂工艺，操作繁琐，落地难度高。

碳纳米管（CNT）凭借高强力学性能、导电导热以及优异的吸光能力，是复合材料里的 “明星填料”。把碳纳米管和液晶弹性体结合，理论上可以把光、电信号转化成热量，进而驱动材料变形。但常规直接混合的方式，碳纳米管极易团聚，很难精准控制材料微观结构。过去报道的碳纳米管?液晶弹性体驱动器，大多只能完成简单弯曲，很难做到可编程、局部可控变形，同时单向驱动的形变幅度和做功能力也并不理想。

值得注意的是，从碳纳米管阵列拉出的连续碳纳米管薄膜，自带各向异性纳米沟槽，不光可以实现光热、电热转换，还能引导液晶分子定向排列。正是基于这个特点，研究团队希望发挥碳纳米管薄膜的双重作用，既充当液晶分子的取向模板，又作为光 / 电?热转换功能单元，开发一款可见光、电双重刺激，可实现可编程局部形变，还能加工成纤维提升驱动性能的新型复合驱动器，给柔性机器人、仿生肌肉带来新思路。

创新点

该研究创新性采用从碳纳米管阵列拉出的连续碳纳米管薄膜，使其同时充当液晶弹性体的分子取向模板与光?热、电?热转换功能单元，无需光刻、光取向等复杂工艺，通过调控碳纳米管薄膜的排布角度、层数与空间图案，即可制备平面向列、扭曲向列的 LCE/CNT 复合驱动器；该复合材料具备光、电双重刺激响应，可见光照射下 1.2 秒即可实现快速可逆弯曲，借助碳纳米管的图案化设计，能够实现 S 形形变、折纸折叠、尺蠖爬行等可编程局域变形，太阳光、手机灯光等普通光源便可触发驱动，循环千次性能依旧稳定；研究还将复合薄膜加捻制成纤维，相较于原始薄膜，单向驱动应变由 3% 提升至 12%，做功能力得到明显增强，为软体机器人、人工肌肉、可穿戴柔性器件的开发提供了新思路。

图文解析

图1。LCE/CNT复合材料的制备。a)所用单体的分子结构和用于制备LCE/CNT复合材料的制造示意图。b）平面向列和c）扭曲向列LCE/CNT₁₊₁复合膜的光学图像和偏振光学显微照片（POM）。（插入比例尺：1厘米。）

图2。LCE/CNT复合膜的可见光诱导光热行为和弯曲致动。a）光热加热效应（插图：287mW cm^?2的红外热像）和b）扭曲向列纯LCE、LCE/CNT₁₊₁复合膜和LCE/CNT₅₊₅复合膜的光热弯曲致动（插图：287mW cm^?2的光学图像）。（插图比例尺：1厘米。）c）扭曲向列相LCE/CNT₁₊₁和LCE/CNT₅₊₅复合膜的光热弯曲致动（287mW cm^?2强度灯亮，黄色区域）和释放（灯灭，灰色区域）。d）在287 mW cm^?2的光开关1000次循环后，证明了扭曲向列相LCE/CNT₁₊₁复合膜的可逆光热弯曲致动。添加线性趋势线（a）和点之间的线来引导眼睛（b–d）。

图3。光热弯曲致动可以由我们日常生活中遇到的光源触发。a）阳光（100 mW cm^?2）触发扭曲向列相LCE/CNT₁₊₁复合膜的弯曲致动。b）手机上的发光二极管（150 mW cm^?2）触发了扭曲向列相LCE/CNT₁₊₁复合膜的弯曲致动。

图4。通过碳纳米管堆叠图案化编程S形弯曲驱动。a）层叠图案化LCE/CNT复合膜的示意图和b）光学图像。实心框表示在图3c中观察到的区域。虚线框表示为观察致动而切割的样品区域。c)层叠图案化LCE/CNT复合膜的过渡区域处的POM。d)响应于287mW cm^?2的可见光强度，堆叠图案化LCE/CNT复合膜的编程S形弯曲致动的延时光学图像。

图5。使用等离子体图案化碳纳米管的局部热驱动。a)用于空间受控CNT浓度的等离子体图案化过程的示意图。灰线和红色箭头分别表示CNT片和这些片的取向。蓝色椭圆表示通过厚度的扭曲LCE取向。b）折纸致动器在可见光（250 mW cm^?2）照射之前和期间的光学图像。c）折纸致动器在250 mW cm^?2强度可见光下的红外图像。

图6。热机械和电热性能。a)平面向列纯LCE膜、平面向列LCE/CNT₁₊₁复合膜和平面向列LCE/CNT₅₊₅复合膜的等长应力（在0.1%应变下）的温度依赖性。b)当使用429kPa、764kPa和1.13MPa的施加应力沿CNT取向方向加载时，平面向列LCE/CNT₅₊₅复合膜的等压应变的温度依赖性。c）平面向列相LCE/CNT₁₊₁和LCE/CNT₅₊₅复合膜的各向异性电热加热。直流电压沿（?）或垂直（?)到复合材料的CNT取向方向。点之间的趋势线被添加来引导眼睛（c）。

图7。LCE/CNT复合膜和纤维的单轴电热驱动。a)LCE/CNT₅₊₅膜和扭转插入的LCE/CNT₅₊₅光纤的光学图像。b) 单轴电热驱动的光学图像显示，在 840 kPa 机械载荷和 15.1 V cm^?1 DC 刺激下，拉伸应变从薄膜的 3% 提高到纤维的 12%。c）在15.1 V cm^?1DC刺激的机械载荷变化下，LCE/CNT₅₊₅薄膜和LCE/CNT₅₊₅光纤电热致动器的单轴工作能力和拉伸应变的量化。d）在15.1 V cm^?1 DC刺激开启和关闭100个循环后，证明了LCE/CNT₅₊₅光纤的可逆电热单轴致动。点之间的线被添加来引导眼睛（c，d）。

文章总结

该研究开发出兼具光、电双重响应的液晶弹性体?碳纳米管复合驱动材料，依靠碳纳米管片层的排布与图案化处理，实现对液晶分子取向的可编程调控；复合材料可在可见光激励下发生快速、可逆的局域形变，完成 S 型弯曲、折纸折叠、尺蠖爬行等复杂动作，普通日常光源即可触发驱动，并且拥有优异的循环稳定性；将薄膜进一步扭转为纤维后，有效提升了单向驱动的拉伸应变与做功能力，能够在直流电压下实现电热驱动。这项研究拓展了可编程柔性驱动器的实现方式，在形变可调结构、软体机器人、人工肌肉等应用方向具备良好的发展潜力。

信息来源：先进材料与结构

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

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