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  自工業革命以來，熱機引擎、電機引擎被相繼開發并成為生產生活不可或缺的一部分。傳統的引擎將熱能、電能轉化為旋轉機械能，從而輸出扭轉功。隨著技術的進步，引擎日趨智能化、小型化。而傳統熱機引擎、電機引擎往往結構復雜、體型大，難以滿足實際需求。近年來，加捻這種古老的工藝再次引起科學家的關注。通過對纖維加捻，可以賦予纖維旋轉形變的性能，并對外輸出扭轉功。此外，加捻纖維的直徑往往在微米量級，可以在微觀尺度實現人們對旋轉運動的需求，是構筑微引擎的優異選擇。目前，多種加捻纖維已經被開發和報道，但同時材料也存在性能和使用的局限：例如，石蠟填充加捻后的碳纖維可以在外界刺激下產生高轉速（11500 rpm）及高扭矩（8.4 N m kg^-1），但在使用時，兩端需要錨定以保持加捻狀態；形狀記憶高分子加捻纖維可以實現免錨定，但刺激響應形變為單向進行，無法往復響應外界刺激；石墨烯、碳管加捻纖維，雖然可以實現可逆刺激響應，但產生的扭矩較小，最高僅有0.63 N m kg^-1。因此，受限于材料本征性能的約束，開發同時具備免錨定、往復刺激響應、輸出高扭矩與高扭轉形變的加捻纖維，仍是極具挑戰性的課題。

  為攻克以上難題，清華大學楊忠強課題組選用了兼具高形變率及可逆形變的液晶彈性體（LCE），開發出了液晶彈性體加捻纖維（LCETF），并首次將該材料用于構筑旋轉微引擎。

圖1. LCETF的制備流程、化學組成以及形貌結構特點。

  該團隊利用兩步交聯策略，通過模板法制備LCETF：首先在模板中通過一步交聯得到多疇、部分交聯的LCE纖維；隨后對纖維進行拉伸、加捻，并通過光照交聯固定LCETF的單疇取向。在SEM和偏光顯微鏡下，可以觀察到加捻后纖維扭轉紋理的產生以及雙折射性質的變化。通過控制加捻多少，可以控制表面扭轉角的大小。此外，還可通過控制加捻方向，控制纖維的手性，得到左旋及右旋的LCETF。

圖2. LCETF的熱響應扭轉形變。

  隨后，研究者們進行了一系列熱響應形變的探究。對于傳統的、未加捻的LCE纖維，在熱刺激下可以發生有序-無序相變，產生長軸方向的收縮。而加捻后的LCE纖維，在熱刺激下不僅產生長軸收縮形變，還會產生旋轉形變，且隨著加捻程度的提高，纖維的扭轉形變率也隨之升高。若在纖維末端懸掛重物，在熱刺激下，LCETF便可帶動重物轉動，最高轉速可達2400 rpm，相當于生物實驗室中用于收集細胞的離心機轉速。去除熱刺激，LCETF可以帶動重物反向旋轉至初始狀態，具有可逆響應性。其次，纖維的單位質量輸出扭矩可達10.1 N m kg^-1，高于已報道的加捻纖維，甚至高于商用電機（6.0 N m kg^-1）。并且，LCETF帶動重物旋轉，其功密度可達115.3 kJ m^-3，遠大于人類骨骼肌（8 kJ m^-3）。因此，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、可逆形變，還能輸出高扭矩和高功密度，在應用中更具優勢。有望用于構建微機電系統、微型機械和微型機器人等。

圖3. LCETF作為旋轉微引擎驅動發電。

  最后，該團隊進一步研究了LCETF作為旋轉微引擎驅動發電的能力。在往復加熱與冷卻刺激下，LCETF可以帶動懸掛在末端的磁鐵往復旋轉。轉動的磁力線切割銅線，便可以產生感應電動勢。線圈中的峰值電壓隨旋轉速度的增加而增加，最高可達9.4 V。整個發電裝置的功率密度可達6 W kg^-1，接近專業自行車運動員在比賽中的平均功率密度。LCETF轉動產生的電能還可以在10分鐘內將2200 μF的電容器充至3.0 V，儲存電荷高達6.6 mC，足以讓LED持續發亮5分鐘。該結果驗證了LCETF作為旋轉微引擎的潛力，并有望將LCETF作為能量轉化器，將低品質熱能轉化為應用范圍更加廣泛的高品質電能。

  以上研究成果以《Liquid Crystal Elastomer Twist Fibers towards Rotating Microengines》為題，發表在Advanced Materials上。清華大學化學系王云鵬博士生為第一作者，楊忠強副教授為通訊作者。孫家豪和廖威博士生參與了該工作。該工作致謝國家自然科學基金。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107840