刺激響應功能性液晶彈性體：材料世界網

液晶彈性體兼具橡膠彈性與液晶的順向性，是一種具有獨特性能的材料，可藉由分子在多疇與單疇組態或異向與等向態切換，如此獨特性能可製作熱致動、光/電刺激響應等應用。

本文將從以下大綱，介紹液晶彈性體的製備與研發的現況。
‧液晶高分子、液晶網絡高分子、液晶彈性體
‧液晶彈性體的製備
　1. 側鏈型
　　(1) 聚矽氧烷(Polysiloxane)
　　(2) 壓克力(Acrylate)系統
　2. 主鏈型
‧液晶彈性體應用
　1. 熱致機械響應(Thermomechanical Response)
　2. 光致機械響應(Photomechanical Response)
　3. 電致機械響應(Electromechanical Response)
　4. 液晶彈性複合材

【內文精選】
彈性體(Elastomers)與傳統橡膠(Rubber)類似，其中最大的差別是彈性體大多來自熱塑性(Thermoplastic)塑膠類材料的合成，因此，相對於熱固型(Thermoset)的天然橡膠，彈性體又有合成橡膠之稱，即大家所熟悉的熱塑橡膠(Thermoplastic Rubber; TPR)或熱塑彈性體(Thermoplastic Elastomer; TPE)。

液晶高分子、液晶網絡高分子、液晶彈性體
廣義地來看，分子鏈段中有液晶核(Mesogens)結構且具有液晶特性的高分子就稱為液晶高分子(Liquid Crystal Polymers; LCPs)。液晶高分子、液晶網絡高分子、液晶彈性體三種差異如圖一所示。一般而言，LCPs多為線性高分子，高熔點(~300˚C)，即使在受熱過程中，分子順向性(S)變化不大，且具有高楊氏模數(Young’s Modulus, >100 GPa)。液晶網絡高分子(Liquid Crystal Polymer Networks; LCNs)其實也是LCPs其中的一個分類，由於分子交聯(Crosslink)密集，LCNs多為玻璃態高分子(Glassy Polymer)，玻璃轉化點(Tg)約在40~120˚C，LCNs受熱時液晶順向性略為變化，其模數屬中模數範圍，約在1~2 GPa，可同時展現光學與機械特性。而液晶彈性體屬液晶網絡高分子交聯密度低的一類，此弱交聯可讓材料Tg低至20˚C以下，拉伸模數低(0.1~5 MPa)，受外在刺激可產生極大的形變量(>90%)，之後回復原狀。

液晶彈性體應用
液晶彈性體最獨特的是機械順向性造成的光電特性，包括溫度改變，或類似的刺激如光等，都能改變原有液晶順向組態。如圖十一，液晶彈性體可以利用延伸性使分子組態在多疇性與單疇性間切換；另一方面，端看應用的需求性，高低溫也可讓液晶彈性體在等向性態與異向性變換。液晶彈性體不只外觀可以可逆變形且在光學上也有明顯的差異，都非一般彈性體能成就的特性。因此，近來液晶彈性體從形狀記憶、人工肌肉、致動器到感測器都有許許多多的研究。以下分述幾類應用例。
2. 光致機械響應(Photomechanical Response)
如圖十五，藉偶氮苯(Azobenzene)照光在cis-與trans- form變換，讓液晶分子構型變化是目前光響應(Photo-responsive)主要技術。

Ikeda研究室利用不同比例的交聯性來研究調控光響應特性。在相同的偶氮苯比例下，因高交聯性致使液晶規則性提高，偶氮苯排列隨之提升，因而照光後在液晶軸向方向的體積收縮加劇，彎曲的現象變更大（圖十六）。

圖十六、不同交聯密度的光致響應行為(A) LCE with 5% Crosslinker；(B) 10% Crosslinker；(C) 50% Crosslinker

3. 電致機械響應(Electromechanical Response)
電致機械響應顧名思義是指電場下液晶彈性體的變化。在電場的驅使下，液晶指向矢如同小分子液晶於液晶盒中會隨電場方向排列，形成前述之單疇性排列（圖十九）。

在電/熱致機械響應的研究中，有一篇德國Freiburg大學的仿生研究令人為之驚艷，其利用液晶彈性體的可逆性調控來做類虹膜的調控體(Iris-like Tunable Aperture Employing Liquid Crystal Elastomers)，如圖廿一。由於虹膜是圓形對稱的開口，與前述液晶彈性體設計截然不同，是此篇研究最關鍵也是最困難的部分。

圖廿一、液晶彈性體之類虹膜研究