液晶与显示·封面｜氧化石墨烯/液晶网络复合膜的响应性能及仿生设计

导 读

氧化石墨烯/液晶网络（graphene oxide/liquid crystal network，GO-LCN）复合膜是一种液晶聚合物网络和氧化石墨烯的复合智能材料，结合了液晶材料的弹性各向异性和氧化石墨烯优异的光热转换效率。复合膜对热和红外光有很好的刺激响应特性，在柔性机器人和仿生光热驱动器等领域有广阔的应用前景。

近日，河北工业大学孙玉宝教授和其团队马红梅教授及李绍雯在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录、中文核心期刊）2024年第1期发表了题为“氧化石墨烯/液晶网络复合膜的响应性能及仿生设计”的研究文章，并被选作当期封面文章。该文章研究了温度和红外光作用下液晶聚合物网络厚度对响应的形变角度和速度性能的影响，并制备了几种仿生器件。

图1：《液晶与显示》2024年第1期封面图

GO-LCN的制备和形变

GO-LCN的制备分为液晶聚合物网络膜层和氧化石墨烯膜层的两个膜层制备。液晶聚合物网络膜层，LCN组分包括可聚合液晶性聚合物单体和光诱发剂，根据需求使用玻璃基板来控制液晶性聚合物单体的取向方向和厚度，然后控制液晶膜层温度为40℃进行紫外光固化，液晶聚合物单体反应生成聚合物网络，然后将玻璃基板掰开获得液晶网络膜层。制作好的液晶聚合物网络薄膜表面涂覆氧化石墨烯水溶液，然后在温度为60℃的烘箱中固定烘干获得GO-LCN复合膜。

图2：GO-LCN复合膜中使用组分的分子结构
图源：液晶与显示, 2024, 39(1): 1-9. Fig.1

室温下，氧化石墨烯吸收水分膨胀，液晶网络膜层在液晶取向方向膨胀，垂直于液晶取向方向收缩，从而获得在垂直于液晶取向方向的弯曲；当温度升高或强红外光照射下，氧化石墨烯层的温度升高，层内脱水导致层间间距减小，发生各向同性的收缩，由于氧化石墨烯层的温度升高，液晶网络层的温度也升高，液晶的有序性降低，从而导致液晶网络层沿液晶长方向收缩，垂直于液晶长方向膨胀，液晶取向方向的形变逐渐抵消，长方向的收缩由于氧化石墨烯和液晶网络膜的收缩率不同，而导致在液晶取向方向的弯曲。

图3：液晶网络膜和氧化石墨烯膜层的膨胀和复合膜的形变情况
图源：液晶与显示, 2024, 39(1): 1-9. Fig.3

GO-LCN的制备和形变

不同厚度的I型和II型复合膜在热台和红外光场作用下的弯曲角度变化。实验结果表明，在相同的外界刺激下，随着热台温度升高，厚度为50μm的Ⅰ型复合膜比厚度为100μm的Ⅰ型复合膜弯曲角度更大，线性增加的斜率也更大，在红外光照射下二者没有很大差异。对于II型复合膜，随着红外光强度的增强，厚度为50μm的复合膜比厚度为100μm的复合膜弯曲角度更大，但在热台温度影响下差异不是很大。

图4：不同厚度的I型和II型复合膜在热台和红外光场作用下的弯曲角度
图源：液晶与显示, 2024, 39(1): 1-9. Fig.7

红外光相比于紫外光，对人体更安全，对大多数有机材料的性能影响更小，同时光具有远程可控性，快速传播性和无污染等优点。自然界的含羞草在遇到强光照射后会出现合拢的现象，强光消失后逐渐展开回到初始状态，这是含羞草对外界刺激的一种自我保护反应。将GO-LCN复合膜剪裁成叶片样子，在高强度红外光照射下，复合膜约11s完成形变，光刺激消失后，回复到最初状态约需16s，与含羞草的形变时间相仿。

图5：含羞草在强光和GO-LCN复合膜在强红外光照射下的形变过程
图源：液晶与显示, 2024, 39(1): 1-9. Fig.12

总结与展望

作为一种光致形变的智能材料，GO-LCN复合膜结合氧化石墨烯的光热转换性能和液晶网络的弹性各向异性特性，使人们对液晶材料的应用想象更加丰富。光吸收转热材料还包括黑色二维材料MXenes，人工黑色素多巴胺（PDA）等材料，可以实现对红外光或紫外光的热转换，也使复合膜的控制具有更多的选择性，也让液晶驱动器的应用更加广阔。

论文信息

李绍雯, 马红梅, 孙玉宝. 氧化石墨烯/液晶网络复合膜的响应性能及仿生设计[J]. 液晶与显示, 2024, 39(1):1-9.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0373

通讯作者简介

孙玉宝，河北工业大学理学院应用物理系教授，博士生导师，河北省政府特殊津贴专家，ICDT会议技术委员，《液晶与显示》编委。1999年7月于河北工业大学应用物理专业获得学士学位，2010年于河北工业大学获得博士学位，主要从事液晶器件物理和液晶的新型应用等方面的研究，在新型液晶显示器件结构、液晶显示器动力学响应机制、聚合物稳定蓝相液晶和胆甾相液晶器件物理与材料、液晶聚合物网络驱动器、平板显示器色域和防窥等方面做出了一系列创新成果。在ACS Applied Materials and Interfaces, Journal of Materials Chemistry C, Journal of Molecular Liquid, Applied Physics Letters等期刊发表论文100余篇；获得发明专利20余项，成果转化超亿元。作为专家组成员参与中国大百科全书光学工程分册液晶部分与“十三五”规划教材《液晶光子学》编写工作。

E-mail：yubao_sun@hebut.edu.cn