“加捻”是把原料絲繞成線的過程，而將纖維加捻，就可以獲得纖維旋轉形變的勢能，對外輸出扭轉功。然而受限於材料本徵效能，開發出免錨定、具備往復刺激響應能力、輸出高扭矩與高扭轉形變的加捻纖維，仍是一項難題。
近日，清華大學楊忠強副教授課題組開發出了液晶彈性體加捻纖維（LCETF），並首次將這種材料用於構築旋轉微引擎。該研究成果發表在2021年12月21日的《先進材料》（Advanced Materials）上。
文章通訊作者楊忠強副教授告訴果殼：“我們團隊近期開發了熔融紡絲技術，並且已經申請相關專利，這種技術可以實現LCE纖維的連續生產，具備使LCE纖維工業化生產的前期基礎。”
纖維加捻怎麼實現？
研究團隊首先在模板中透過一步交聯得到多疇、部分交聯的LCE纖維；隨後對纖維進行拉伸、加捻，並透過光照交聯固定LCETF的單疇取向。在SEM和偏光顯微鏡下，可以觀察到加捻後纖維扭轉紋理的產生以及雙折射性質的變化。透過控制加捻多少，可以控制表面扭轉角的大小。此外，還可透過控制加捻方向，控制纖維的手性，得到左旋及右旋的LCETF。
LCETF的製備流程、化學組成以及形貌結構特點 | 參考文獻[1]
纖維加捻好在哪兒？
過去的加捻纖維各有優勢，但很難同時實現免錨定、往復刺激響應、輸出高扭矩與高扭轉形變，這就使得加捻纖維的應用受到了限制。研究團隊使用的液晶彈性體（LCE）是具備刺激響應能力的材料，同時具備本徵形變數大及形變可逆的特點。基於這兩個優點，LCETF可以實現往復刺激響應，並且在100個加熱冷卻迴圈之後，驅動響應性仍能保持在初始水平。
參考已有研究成果，LCE穩定響應熱刺激可以達到10萬次以上，迴圈次數非常可觀；同時，由於LCETF是交聯網路，所以在輸出大扭矩與大扭轉形變數的同時，扭轉的高分子鏈也被固定，從而實現了免錨定。
LCETF作為旋轉微引擎驅動發電 | 參考文獻[1]
此外，該團隊進行了一系列熱響應形變的探究。結果表明，與以往的兩端錨定、單向轉動的加捻纖維相比，該團隊開發的LCETF不僅免錨定、形變可逆，還能輸出高扭矩和高功密度，在應用中更具優勢。楊忠強副教授表示，該材料有望用於構建微機電系統、微型機械和微型機器人等領域，前景廣闊。
產業化前景
團隊還進一步研究了LCETF作為旋轉微引擎驅動發電的能力。實驗結果證明了LCETF作為旋轉微引擎的潛力，並計劃未來用LCETF作為能量轉化器，基於其響應熱刺激發生旋轉的特性，可作為發電引擎將低品質熱能轉化為應用範圍更加廣泛的高品質電能。
文章第一作者王雲鵬告訴果殼，LCETF還存在很大的改進空間。後續我們希望透過調控化學組成，製備複合材料，進一步提高LCETF的輸出扭矩，減小LCE纖維的尺寸等，賦予其用作旋轉微引擎更加豐富多樣的效能。
楊忠強副教授認為，LCETF產業化的最大難點在於給LCETF尋找明確的應用場景，使LCETF在外界刺激下產生的快速旋轉運動以及輸出的大扭矩這兩大特點得到很好地利用。“該材料有望實現能源的再利用，為低碳經濟發展提供新技術。我們也十分期待這種新材料的產業化落地。”
致謝
感謝清華大學化學系楊忠強課題組對本文的審閱和建議。
參考文獻
[1] Wang, Y.; Sun, J.; Liao, W.; Yang, Z. Liquid Crystal Elastomer Twist Fibers towards Rotating Microengines. Adv. Mater. n/a (n/a), 2107840. https://doi.org/10.1002/adma.202107840.
作者：酥魚
編輯：靳小明
排版：尹寧流
研究團隊
楊忠強課題組合影 | 王雲鵬提供
通訊作者楊忠強，清華大學化學系副教授，本科畢業於黑龍江大學，碩士畢業於吉林大學，博士畢業於英國劍橋大學，曾在美國威斯康星麥迪遜大學從事博士後研究。主要研究領域為液晶材料的成型加工及其在化學與生物檢測、人工肌肉和柔性機器人等領域的應用。
第一作者王雲鵬，清華大學化學系楊忠強課題組博士。
論文資訊
釋出雜誌《先進材料》Advanced Materials
釋出時間2021年12月21日
釋出標題Liquid Crystal Elastomer Twist Fibers towards Rotating Microengines
（DOI：10.1002/adma.202107840）
