Liquid crystalline elastomers as stimuli-responsive microactuators

Abstract

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are known to perform a reversible change of shape upon the phase transition from the semi-ordered liquid crystalline state to the chaotic isotropic state. This unique behavior of these “artificial muscles” arises from the self-organizing properties of liquid crystals (mesogens) in combination with the entropy-elasticity of the slightly crosslinked elastomer network. In this work, micrometer-sized LCE actuators are fabricated in a microfluidic setup. The microtubular shear flow provides for a uniform orientation of the mesogens during the crosslinking, a perquisite for obtaining actuating LCE samples. The scope of this work was to design different actuator geometries and to broaden the applicability of the microfluidic device for different types of liquid crystalline mesogens, ranging from side-chain to main-chain systems, as well as monomer and polymer precursors. For example, the thiol-ene “click” mechanism was used for the polymerization and crosslinking of main-chain LCE actuators. The main focus was, however, placed on acrylate monomers and polymers with LC side chains. A LC polymer precursor, comprising mesogenic and crosslinkable side-chains was synthesized. Used in combination with an LC monomer, the polymeric crosslinker promoted a stable LC phase, which allowed the mixture to be isothermally handled in the microfluidic reactor. If processed without the additional LC components, the polymer precursor yielded actuating fibers. A suitable co-flowing continuous phase facilitates the formation of a liquid jet and lowers the tendency for drop formation. By modification of the microfluidic device, it was further possible to prepare core-shell particles, comprised of an LCE shell and filled with an isotropic liquid. In analogy to the heart, a hollow muscle, the elastomer shell expels the inner liquid core upon its contraction. The feasibility of the core-shell particles as micropumps was demonstrated. In general, the synthesized LCE microactuators may be utilized as active components in micromechanical and lab-on-chip systems.

Bei flüssigkristallinen Elastomeren wird der Übergang von der flüssigkristallinen in die isotrope Phase begleitet von einer makroskopischen, reversiblen Formänderung. Dieses einzigartige Verhalten der auch als „künstliche Muskeln“ bekannten Materialien entsteht durch die Kombination aus der Entropie-Elastizität des Elastomers und der Selbstorganisation der flüssigkristallinen Einheiten. In der vorliegenden Arbeit wurden Aktoren im Mikromaßstab aus flüssigkristallinen Elastomeren in einem mikrofluidischen Reaktor hergestellt. Die Scherströmung innerhalb der Mikroschläuche bewirkt eine einheitliche Orientierung der flüssigkristallinen Moleküle (Mesogene). Diese makroskopische Vorzugsrichtung der Mesogene ist ausschlaggebend für den Erhalt formändernder Elastomere und wird anschließend durch Photo-Vernetzung eingefroren. Die mikrofluidische Apparatur wurde dahingehend weiterentwickelt, dass sie für die Verarbeitung von monomeren und polymeren Ausgangsverbindungen sowie der Herstellung von Haupt- und Seitenketten-Elastomeren Anwendung findet. Zum Beispiel konnte die Thiol-En-Reaktion zur Erzeugung von Hauptkettenelastomeren genutzt werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag jedoch auf der Verarbeitung von Seitenketten-Systemen. Ein vernetzbares flüssigkristallines Seitenketten-Polymer wurde synthetisiert, welches in Kombination mit einem flüssigkristallinen Monomer zu einer Stabilisierung der flüssigkristallinen Phase beitrug. Dadurch konnte die Mischung unter isothermen Bedingungen im Mikroreaktor verarbeitet werden. Durch eine geeignete Wahl der kontinuierlichen Phase im Reaktor wurde die Tendenz zur Tropfenbildung unterdrückt, so dass aus dem Mikrojet des reinen Polymers kontrahierende Fasern herstellt werden konnten. Durch eine Modifikation des Mikroreaktors wurden Kern-Schale-Partikel erhalten, deren Elastomer-Schale mit einem flüssigen Kern gefüllt war. Nach Erzeugung eines Ventils in der Elastomer-Schale konnten diese Partikel den flüssigen Kern wie ein künstliches Herz reversibel einsaugen und ausstoßen. Die erzeugten Mikroaktoren aus flüssigkristallinen Elastomeren eignen sich als Bauteile zur Erzeugung mechanischer Bewegung in mikroelektromechanischen und sogenannten „lab-on-chip“ Systemen.