智能材料正以前所未有的方式改變我們與環(huán)境的互動方式——從智能紡織品到仿生機器人，材料的多功能集成已成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵前沿。其中，將強健的機械驅(qū)動與高保真的視覺輸出相結(jié)合，尤為引人關(guān)注？梢姽夤鈱W響應能力，使得材料能夠?qū)⒉豢梢姷臐穸、溫度或應力信號，直接轉(zhuǎn)化為肉眼可辨的顏色變化，極大推動了人機交互與實時傳感的發(fā)展。而濕度，作為一種普遍存在、綠色且生物友好的環(huán)境刺激源，正成為新一代可穿戴設(shè)備與軟體機器人的理想驅(qū)動方式。
在這一背景下，中國礦業(yè)大學（北京）王萌副教授團隊與北京大學工學院楊槐教授合作，提出了一種創(chuàng)新的“化學門控”策略，利用可逆氫鍵解鎖了三維拓撲藍相液晶聚合物薄膜在濕度響應中的多功能集成潛力。
2025年11月5日，相關(guān)成果發(fā)表于《Advanced Functional Materials》，標題為“Chemically Gated Hydrogen Bonds Unlock Multifunctional Humidity Responses in 3D Topological Blue Phase Liquid Crystal Polymers”。
化學門控，指的是通過特定化學反應，可逆地“開啟”或“關(guān)閉”材料的某項功能。在該研究中，氫鍵憑借其方向性、強度可調(diào)和刺激響應性，成為實現(xiàn)高性能門控的關(guān)鍵機制。研究團隊構(gòu)建了全共聚網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，引入高密度羧基作為功能位點，使材料兼具優(yōu)異的機械性能與化學穩(wěn)定性。初始狀態(tài)下，密集的氫鍵網(wǎng)絡(luò)將薄膜“鎖定”為濕度惰性狀態(tài)；而通過簡單的堿/酸處理作為“分子開關(guān)”，可逆地斷裂并重構(gòu)這些氫鍵，使材料在“鎖定態(tài)”與高親水“解鎖態(tài)”之間切換。一旦被“解鎖”，該藍相液晶薄膜展現(xiàn)出三大卓越性能：快速可逆的結(jié)構(gòu)色變化（445-603nm可見光范圍）、超過225°的顯著彎曲形變及高保真濕度-電信號轉(zhuǎn)換能力。這些性能使其在多級防偽、仿生驅(qū)動器和可穿戴呼吸傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛應用前景。
圖1.化學門控機制示意圖及多功能應用展示
經(jīng)堿處理后（K-BPLC），薄膜對環(huán)境濕度表現(xiàn)出高度敏感且穩(wěn)定的顏色響應。當相對濕度從10%升至100%，其結(jié)構(gòu)色從藍色連續(xù)漸變至紅色，且在20次循環(huán)測試中仍保持優(yōu)異的可逆性與抗疲勞性。通過原位紅外光譜與激光共聚焦顯微鏡觀測，研究揭示了變色背后的分子機制：水分子逐步滲入引發(fā)各向異性溶脹，晶格膨脹驅(qū)動宏觀光學與尺寸變化。
圖2. K-BPLC薄膜在不同濕度下的結(jié)構(gòu)色變化
薄膜在濕度刺激下還能實現(xiàn)快速、可控的彎曲形變。其機制在于：近濕源側(cè)吸濕膨脹，遠濕源側(cè)保持干燥，形成濕度梯度，進而產(chǎn)生內(nèi)應力，驅(qū)動薄膜向遠離濕源的方向彎曲。研究團隊系統(tǒng)考察了共價交聯(lián)密度、非共價鍵、羧酸密度及相態(tài)結(jié)構(gòu)等因素對驅(qū)動性能的影響，為定制化設(shè)計高性能軟體驅(qū)動器提供了理論依據(jù)。
圖3. K-BPLC薄膜的濕度驅(qū)動性能與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)控
該薄膜不僅可用于高安全性圖案化防偽標簽，還成功實現(xiàn)了多種仿生與機器人應用，如隨濕度“綻放”與“閉合”的仿生花朵與含羞草、可執(zhí)行抓取任務(wù)的微型機械臂。且基于化學-電學耦合的可穿戴呼吸傳感器，能準確區(qū)分慢走與快跑等不同生理狀態(tài)。這項研究通過“化學門控氫鍵”策略，成功實現(xiàn)了藍相液晶聚合物薄膜在濕度響應中光學、驅(qū)動與電學信號的多功能集成，不僅拓展了智能材料的應用邊界，也為未來高性能仿生軟體機器人與可穿戴傳感系統(tǒng)的發(fā)展提供了新思路。該研究獲得國家自然科學基金與中央高校基本科研業(yè)務(wù)費的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202518925
