[发明专利]水响应的机械元件及制造这种元件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及响应外部激活而改变形状的柔性结构。

背景技术

现今知道柔性、微机械结构通常对电场、热或光有响应。例如，Ikeda等在Advanced Materials第15卷第3期第201-205页中报道了可由光移动的柔性箔片。此处公开的箔片由当暴露于光下时各向异性地弯曲或伸直的偶氮苯液晶凝胶制成。该箔片包括当暴露于适当波长光下时经历反-顺异构化的各向异性取向的反式-偶氮苯部分。顺式和反式异构化具有不同的形状。为了引起弯曲(或者伸直)，使所述箔片暴露于光下，使得基本上所有入射光都被箔片表面区域中的反式-偶氮苯部分吸收，留下箔片体相不曝光。因此，在所述表面区域中，染料改变形状，而且在箔片体相中它不改变。染料形状的改变导致体积浓度选择性地沿着表面区的一个方向改变，而体相的体积不改变，由此使箔片弯曲。

但是，仍然需要对备选的刺激产生响应的柔性微机械结构。特别是需要响应环境改变例如各种液体或蒸汽施用的结构。一般要求的是该结构应该可以单独使用，以及集成到更大的结构系统中。

发明内容

可以通过如下面权利要求1限定的柔性结构来满足上述需求。此外，分别在权利要求10和13中限定了这种柔性结构的有利的制造方法和用途。所附的从属权利要求限定了本发明的优选实施方案。

因此，本发明的一个方面提供了一种包含聚合物网络的柔性结构。该聚合物网络包含聚合的液晶单体。所述柔性结构限定了上表面层和下表面层，使聚合的单体取向，以使上表面层中聚合的单体的平均轴向与下表面层中聚合的单体的平均轴向基本上不同。下层和上层可以由一层涂覆在另一层上面的两个不同的层组成。但是，它也可以由单片单元组成，其中上层和下层间的区别来自于性质的逐渐变化，在此情况下平均局部分子发生取向，和/或组成从上层界限到下层界限变化。分子取向之间的角度典型地选择为90°，因为这在大多数情况下得到最大的目标作用，但是也可以选择成较小或较大的角度，例如为了使加工和制造变得更加容易。聚合的单体还包含可断裂的次价键，可以通过施用试剂而断裂该键，从而使所述结构改变形状。因此，我们的教导是通过提供如上所述的结构，我们得到了在暴露于试剂时发生弯曲的结构。不愿受限于任何理论，我们相信这是在施用试剂时聚合的单体的长/宽比发生改变的结果。上下表面层平均轴向的差异使得上表面层中长-宽变化的方向基本上不同于下表面层中长-宽变化的方向。根据一个实施方案，所述差异基本上为90°，从而保证了柔性结构中最优的弯曲效果。

结果，上下表面层对试剂的施用反应不同，使得柔性结构弯曲。

本发明因此提供了一种基于在处于环境改变条件时改变形状的聚合物液晶的柔性结构。换句话说，本申请所述的单元对环境变化有反应，而不是由热、光或者电场激发。

根据一个实施方案，聚合物网络以扭曲或者八字形构型取向。因而，保证了聚合的单体的平均轴向基本上90°的差异，从而使得该结构的顶部和底部以相反方式产生膨胀和收缩反应，并因此赋予其非常有效的弯曲模式。

膨胀和收缩的程度在不同的聚合物网络间不同，轴向中的收缩/膨胀与正交方向中的收缩/膨胀之比也是如此。在向聚合物施加试剂时聚合物吸收大量施加试剂的情况下，轴向收缩典型地降低了并且甚至可以是零。对于这种反应甚至可以在大至足以导致膨胀的程度上抵消收缩。但是，轴向上相对于正交方向的不对称无论如何将典型地导致大的弯曲效应。

因此，本发明基于如下观察结果：包含可断裂键的液晶网络中的聚合的单体的长/宽比在与专门干扰该可断裂键的试剂接触时后这些键断裂时发生改变。本申请中的可断裂键是在存在和不存在试剂时可以可逆地断裂并且形成的键。可断裂的键可以是次价键如氢键。但是，它甚至还可以是基于分子间偶极-偶极相互作用或者偶极-偶极诱导的相互作用的更弱的键。但是，该键必须足够强而能够在所关心的温度范围内形成有序的液晶相。在本申请中，次价键指涉及分子间吸引但不涉及电子转移或共享的键。在试剂的存在下可以可逆地打开的另一类可断裂键例如是具有更高键合强度的主价键，如离子键。