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  液晶彈性體因其能將熱、光等外部刺激直接轉(zhuǎn)化為可逆的宏觀形變，在軟體機器人、人工肌肉和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，動態(tài)液晶彈性體往往難以兼顧高韌性、低模量與高做功能力，這一“不可能三角”嚴重限制了其實際應(yīng)用。

  2025年10月2日，清華大學(xué)吉巖副教授和北理工仵雅禾助理教授受貽貝足絲中兒茶酚-金屬配位鍵的啟發(fā)，設(shè)計了一種兼具共價交聯(lián)與配位鍵的大分子交聯(lián)劑，成功制備出一類高韌性、低模量、高做功能力且可重構(gòu)的液晶彈性體，突破了上述性能瓶頸。該研究成果以“Leveraging catechol chemistry to tackle toughness-softness-work capacity tradeoff in reprogrammable liquid crystal actuators”為題，于2025年10月2日發(fā)表在《Nature Communications》上。文章第一作者為清華大學(xué)博士生何恩健，吉巖副教授和仵雅禾助理教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金等項目的支持。

  該工作通過將硅基保護的兒茶酚配位單元接枝至含硫基的聚硅氧烷鏈上，構(gòu)建了大分子交聯(lián)劑，進而通過巰基-丙烯酸酯邁克爾加成反應(yīng)構(gòu)建液晶彈性體網(wǎng)絡(luò)。隨后通過酸處理去除保護基，暴露兒茶酚單元，并與鐵離子等金屬離子配位，形成動態(tài)配位鍵，制備一系列目標動態(tài)液晶彈性體。

圖1：設(shè)計思路與材料合成路線

  利用鐵-兒茶酚鍵的熱可逆性，通過加熱或激光照射使材料內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得以重組，從而實現(xiàn)驅(qū)動模式的多次編程。優(yōu)化后的材料（CAT4-Fe）能穩(wěn)定輸出416 kJ/m3的高工作容量，可舉起10000倍于自身重量的負載，展現(xiàn)了其作為軟體機器人“肌肉”的強大性能與可靠性。

圖2：材料的再編程性與做功能力

  優(yōu)化后的材料（CAT4-Fe）在室溫下韌性高達28.5 MJ/m3，楊氏模量僅為3.1 MPa，做功能力達到416 kJ/m3。即使在120℃高溫下（高于相變溫度55℃），其韌性仍保持5.5 MJ/m3，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。通過調(diào)節(jié)配位鍵含量，材料韌性可進一步提升至67.0 MJ/m3，而模量仍低于5 MPa。

圖3：力學(xué)性能的突破性提升

  更值得一提的是，通過引入不同金屬離子（如Fe3?、Ni2?、Cu2?等），可實現(xiàn)材料性能的“干細胞式分化”，從同一基材衍生出多種性能各異的變體，并可在單一薄膜中實現(xiàn)空間異質(zhì)集成，為構(gòu)建多功能集成軟體驅(qū)動器奠定了基礎(chǔ)。

圖4：“干細胞式”性能分化與空間集成

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63836-x