Photo actuation of azobenzene incorporated liquid crystalline elastomers

Abstract

Azobenzene incorporated liquid crystalline elastomers (azo-LCEs) is contains azobenzene in there molecule network, and it occur photo-isomerization when PRP-LCEs irradiated UV-light. Azo-LCEs can potentially be used in diverse applications, such as soft robot, sensors, and actuators, because of their reversibility, remote-controllability, and immediateness of the response. However, real world applications of azo-LCEs are lacking because of the strains generated by irradiation of light are not so large, and the work capacity is not suitable to apply. Here, we report an azo-LCEs constructed with thiol-click Michael addition reaction. Azo LCEs shows dual stimuli shape memory cycle triggered by force/heat and light. In particular during photo deformation process, azo LCEs shows not only huge actuation (up to 26%) under the stress condition but also shows the higher work capacity than mammalian muscle (up to 77J/Kg). To better understand, we control the molecule structure system by using change of crosslinker concentration and sequential polymerization process. When azobenzene in the molecules network occur photo-isomerization, not only the isomerization effect of the azobenzene itself but also influence of tuned nematic-isotropic transition temperature of azo-LCEs molecule network contribute to make immediately huge actuation. Since the photo-isomerization of azobenzene and the external loading force applied to azo-LCEs have a complex effect on this transition temperature shifting, we constructed an in-situ experimental system to better understand this phenomenon. Our azo-LCE has not only shown that it has conditions that can be used in various applications including artificial muscles, but is also expected to be used importantly in various fields for future actuators and their mechanism studies.

광반응 탄성체 소재의 분자 네트워크 내부에 가교되어 있는 아조벤젠은 특정 파장대의 빛이 조사 될 경우 광 이성질화를 일으킵니다. 이러한 광 이성질화는 아조벤젠 그 자체의 구조 및 물성변화뿐 아니라, 분자배열 전체에 변화를 야기하여 결과적으로 물성변화와 거동을 발생시킵니다. 광반응 탄성체 소재의 이러한 가역성, 원격제어 가능성 및 그 응답이 즉각적이라는 특성으로 인해 소프트로봇, 정밀 센서 및 액츄에이터와 같은 다양한 활용이 기대되고 있습니다. 그러나 광반응 탄성체의 광변형 거동 시 그 변형의 크기가 충분하지 않고 발생하는 일의 크기가 제한적이라는 특성으로 인해 실질적인 활용에는 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 한계점들을 해결하기 위해 본 연구에서는 Michael addition thiol-click 가교반응을 사용하여 액정 단량체, 아조벤젠 단량체, thiol 작용기를 지닌 가교제로 이루어진 광반응 탄성체 소재를 합성하였습니다. 외력에 의해 일시적인 배향성을 만들고 열을 통해 지울 수 있으며, 빛에 의해서도 형상기억사이클을 발생시키는 해당 광반응 탄성체는 외력하에서 26% 이상의 광반응 대변형을 발생시키며, 포유류근육이상의 일률을 발생시킬 수 있음을 확인하였습니다. 이 후 가교제의 조성비를 제어하는 것과 촉매와 작용기를 설정해주는 방식을 이용한 순차적 중합과정을 이용한 가교과정 제어를 통해 가교율을 통제하였고, 가교율의 변화에 따른 물성의 변화를 연구하였습니다. 또한 광반응에 따른 물성변화를 실시간으로 관측할 수 있는 실험환경을 구축하여, 광반응 거동 및 물성변화의 메커니즘을 규명하였습니다. 본 연구에서 소개한 광반응 탄성체 소재는 인공근육을 비롯한 다양한 응용분야에서 사용될 수 있는 조건을 가지고 있음을 보여주었을 뿐만 아니라, 향후 액츄에이터 및 그 메커니즘 연구를 위한 다양한 분야에서 중요하게 활용될 것으로 기대됩니다.