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  單疇液晶彈性體（LCEs）在加熱至向列相-各向同性相轉(zhuǎn)變溫度（T_NI）時可產(chǎn)生類肌肉收縮運動，冷卻至T_NI以下則恢復(fù)原狀。這種獨特的可逆形變特性使其在軟體機器人等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。然而，現(xiàn)有LCE材料的形變行為調(diào)控方法存在響應(yīng)速度慢或不可逆等挑戰(zhàn)，制約了其效率與實用性。

  中國科學(xué)院寧波材料所海洋關(guān)鍵材料全國重點實驗室智能高分子團隊陳濤研究員和尹愷陽研究員長期從事仿生智能高分子材料的構(gòu)建及其在軟體機器人領(lǐng)域的應(yīng)用探索。近期，該團隊在前期氫鍵超分子LCE體系研究基礎(chǔ)上，進一步引入蒽-丙烯酸乙酯（An-A）動態(tài)鍵，構(gòu)建了具有雙重動態(tài)響應(yīng)特性的新型LCE材料體系（圖1）。研究團隊發(fā)現(xiàn)，單一動態(tài)鍵調(diào)控存在固有局限：雖然蒽鍵可通過光誘導(dǎo)交聯(lián)密度變化調(diào)控T_NI，但無法實現(xiàn)液晶取向的全局重構(gòu)。而通過氫鍵與蒽鍵的協(xié)同作用，該材料體系可同時實現(xiàn)T_NI的精確調(diào)控和致動模式的可逆重構(gòu)。An-A鍵在365 nm紫外光照射10分鐘即可發(fā)生可逆環(huán)加成反應(yīng)，254 nm紫外光照射則可實現(xiàn)解聚，這一可逆的拓撲重構(gòu)過程為LCE性能調(diào)控提供了全新途徑。基于這一創(chuàng)新設(shè)計，研究團隊成功開發(fā)出具有時空可編程特性的LCE致動器。該致動器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形變軌跡的精確控制，還可通過簡單的光照和退火處理實現(xiàn)性能重置。這項研究為發(fā)展新一代智能軟體機器提供了快速可逆、軌跡可定制化的形變行為新策略。

圖1. 光誘導(dǎo)雙動態(tài)鍵液晶彈性體（DD-LCE）致動器的快速可逆時空編程設(shè)計。

  如圖2所示，通過變溫傅里葉變換紅外光譜證實，氫鍵超分子相互作用在120 ℃時可被破壞，但差示掃描量熱法（DSC）顯示退火后的氫鍵網(wǎng)絡(luò)重排對T_NI影響甚微；紫外可見光譜分析證實[4+4]光環(huán)加成反應(yīng)逐步發(fā)生；而254 nm紫外照射可實現(xiàn)幾乎完全解聚恢復(fù)。DSC測試進一步顯示，隨著365 nm光照時間延長（0-60分鐘），DD-LCE的T_NI從72.8℃線性升至89.2 ℃，經(jīng)254 nm光擦除后約恢復(fù)至初始值，表明光誘導(dǎo)拓撲轉(zhuǎn)變通過調(diào)控交聯(lián)密度可逆地改變T_NI。SAXS證實單疇DD-LCE在加熱至75 ℃以上時會發(fā)生單軸收縮，液晶元取向無序化，冷卻后重新恢復(fù)單疇排列。這些結(jié)果共同揭示了氫鍵解離與蒽基二聚化對材料熱力學(xué)性能的差異化調(diào)控機制。

圖2. DD-LCE在不同光、熱處理條件下的物化性能表征。

  退火處理對DD-LCE拉伸性能的影響評估表明蒽基二聚化通過增加交聯(lián)點提升材料強度和模量（圖3）。為探究T_NI調(diào)控的對材料致動性能影響，通過測量單疇DD-LCE在室溫（25℃）與T_NI溫度下的長度變化，發(fā)現(xiàn)未處理樣品在75 ℃附近完成致動。光誘導(dǎo)后，由于交聯(lián)密度改變導(dǎo)致T_NI上移，75 ℃下致動應(yīng)變先降后穩(wěn)，該現(xiàn)象與前述力學(xué)和熱學(xué)性能測試結(jié)果高度一致。

圖3. DD-LCE在不同光、熱處理后的力學(xué)性能表征。

  通過構(gòu)建兩種模型體系：自由移動蒽基團與部分二聚化交聯(lián)體系，模擬顯示未經(jīng)光處理的DD-LCE網(wǎng)絡(luò)在宏觀上呈現(xiàn)分散態(tài)，而光誘導(dǎo)過程促使蒽基團發(fā)生[4+4]光環(huán)加成，形成分子鏈間"手拉手"結(jié)構(gòu)（圖4）。隨著光照時間延長，體系總能量持續(xù)上升而回轉(zhuǎn)半徑（R_g）遞減，表明交聯(lián)點增加導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)致密化，分子鏈運動受限；光擦除后二者均恢復(fù)初始值，證實該拓撲轉(zhuǎn)變完全可逆。這一過程主要由范德華力和靜電勢能等分子間作用力驅(qū)動。

圖4. DD-LCE在光誘導(dǎo)和光擦除處理過程的分子模擬。

  基于氫鍵超分子作用和蒽基[4+4]光環(huán)加成的協(xié)同作用， DD-LCE實現(xiàn)了熱/光雙模式編程。其中，熱退火通過重構(gòu)液晶取向使單疇DD-LCE產(chǎn)生螺旋卷曲等新型致動模式（圖5）；而光誘導(dǎo)則通過可逆調(diào)控T_NI實現(xiàn)驅(qū)動空間重編程變形過程，成功模擬了蝴蝶翅膀拍動等復(fù)雜運動（圖6）�；�光誘導(dǎo)拓撲轉(zhuǎn)變的T_NI梯度編程（0/10/30/60 min光照），四葉草花瓣在加熱/冷卻過程中按預(yù)設(shè)順序閉合（圖7a），展現(xiàn)自校正功能。自鎖領(lǐng)帶結(jié)構(gòu)進一步驗證時空編程能力：通過分區(qū)光誘導(dǎo)（頭部60 min/尾部30 min），器件在90 ℃下依次完成對齊-穿入-鎖定（圖7b-d），可作為驅(qū)動部件為微創(chuàng)縫合等應(yīng)用提供新思路。

圖5. DD-LCE的退火處理使氫鍵連接點斷開從而實現(xiàn)液晶元的重新定向。

圖6. DD-LCE致動器的光誘導(dǎo)重編程過程。

圖7. 四葉草折疊和對齊-穿入-鎖定運動空間編碼順序致動DD-LCE系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

  這種雙動態(tài)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不僅賦予LCE精確的時空驅(qū)動控制，其原理可拓展至水凝膠或形狀記憶聚合物等體系。可逆光誘導(dǎo)拓撲轉(zhuǎn)變過程（254 nm/75 min擦除）為復(fù)雜環(huán)境中的智能致動材料開發(fā)提供了通用化工具，在運動效能優(yōu)化和能量效率提升方面具有潛力。本研究得到了國家自然科學(xué)基金（52473116）和中國博士后科學(xué)基金（2023M743619）資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202501815