科学家制备新型液晶弹性体，极大降低功能集成材料制造成本

近日，北京化工大学教授郭金宝和团队，打造出一种多功能液晶弹性体，其具有结构固有发光、自我修复、以及形状记忆的特性。

图 | 郭金宝（来源：郭金宝）

这款弹性体的网络结构采用亚胺基动态共价键，这种键能够在材料中形成聚集和离解的构象，从而赋予材料多种功能。

这让本次弹性体在光学性能和机械性能上表现出极佳特性，为液晶弹性体在多个领域的应用提供了新的可能。

（来源：Advanced Materials）

在应用前景上，本次材料可以实现信息的存储与传输。

与传统的依赖于光响应分子的信息记录材料相比，基于簇发光的材料无需进行复杂的有机合成，从而能够避免对于环境的污染、以及对于人体健康的潜在威胁。

同时，写入的信息具有极高的分辨率和稳定性，能够高效地实现信息的存储，并进一步应用在商标防伪中，为在显示技术和显示方位等领域的应用奠定了基础。

此外，本次材料不仅可以制成薄膜，还可以制成纤维，拓展其在不同形态下的应用潜力。

利用其在拉伸和扭转过程中的重编程能力，可以设计出具有智能感知和自适应形态的柔性机器人。

在拉伸和加捻的过程中，内部应力通过动态交联网络存储下来。当环境温度发生变化时，经过重新编程的纤维可以将内能转换为规则的运动，从而实现定向前进。由此可见，这一材料在软智能机器人领域有着较大的应用潜力。

同时，本次材料在荧光纺织品领域也有很大的应用潜力。比如，可以将纤维进行自定义编织，还可以设计出各种复杂多样的图案。

另据悉，该材料的独特之处在于其具有自修复功能，这使得纤维在发生断线时能够自修复，而不需要再经过额外缝合。

修复后的图案保持其荧光，并且在拉伸时也不会破坏。因此，本次材料不仅能够用于生态友好的实用化生产，其所拥有高可定制性也增强了用户接受度。

液晶弹性体的“光学 & 力学”性能平衡之难

基于当代社会可持续发展的背景，功能集成材料的发展也被提出了多方面要求，包括环保性、资源可持续性、能效性等。

材料应该尽可能地降低环境影响，在生产、使用和废弃过程中减少资源消耗和废物产生，同时具备高效能的性能和符合社会责任的生产过程，以实现对环境和社会的可持续影响。

液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomer，LCE）作为一类新型的智能材料，经过材料合成技术的改进和多功能性的拓展，已成为可持续发展的重要贡献者。

其可以通过精确控制结构和性能，来实现资源高效利用，减少废物和能源消耗，并能用于智能材料和可穿戴设备等领域，推动可持续能源和生活方式的发展。

此外，对于一些新兴技术比如可穿戴技术、柔性电子设备、智能材料等，需要具有多功能性和可定制性的材料来实现潜在应用。

因此，对 LCE 的研究旨在解决现有材料在特定应用中的局限性，同时也是在探索新结构和新性能，以满足不断增长的技术和社会需求。

其中，具有光子性能的 LCE 材料更是表现出可调谐和灵活的光学行为，为从软致动器、信息存储介质到光学传感器的应用提供了革命性的途径。

然而，传统方法往往伴随着复杂的结构设计和制备工艺。此外，光学性能与力学性能的平衡与融合尚未得到探索，仍是一项挑战。基于此，郭金宝团队开展了本次研究。

（来源：Advanced Materials）

意外发现荧光性质

据介绍，课题组最初设想在之前研究基础之上[1]，开发一种含有动态亚胺键的新型液晶弹性体。但在研究过程中，却意外地发现了这种材料具有荧光性质。

因此，在开始研究液晶弹性体的力学性能和动态共价键性能之前，他们试图首先对液晶弹性体的荧光性质进行了详细的探究，包括光谱表征和簇发光的验证。

利用多重峰分析理论计算和对比实验，该团队进一步确定了亚胺和仲胺对荧光发光波长的贡献，这样一来就能通过控制不同官能团的的含量实现多荧光色 LCE 的制备。

他们还在此基础上建立了分子库，以设计新型具有簇发光性质的液晶弹性体。

液晶弹性体的力学性能对其实际应用有重要意义，因此他们系统地研究了该种材料的力学性能及弹性体的动态网络和物理化学稳定性。

首先是应力应变曲线的测定，因为这涉及到评估材料的软弹性和进一步的应用。

另外，他们还通过流变实验以及热膨胀实验，证实了所制备的弹性体的动态网络和物理化学稳定性。

如何将一种新材料投入到实际的使用中去也是一项非常重要的课题。

所以，全面掌握本次 LCE 的性能之后，他们开始着手解决怎么样将簇发光的功能与液晶弹性体优异的力学性能结合起来。

定下这个目标以后，他们首先提出了理论应用潜力，将不同荧光色的 LCEs 进行多模块显示拼接。这种设计提供了适用于显示器和光电子应用的多功能设备。

在实验过中他们发现，聚合前后的 LCE 簇发光有着较大区别，所以课题组根据这一性质，完全可以实现不依赖于光敏物质的信息写入，这极大地降低了信息记录材料的制作成本。

（来源：Advanced Materials）

另外，考虑到这种材料的多功能性，当时该团队恰好接触到软智能机器人以及液晶弹性体纤维相关的工作，于是他们立刻着手展开了相关探究。

他们发现如果一开始仅仅是单根纤维的话，它的运动是杂乱无章的。所以，在此基础上对单根纤维进行加捻弯折形成双股纤维，借此获得了能够进行定向运动的软机器人。

最后，又将其回归到纤维的最基本的用途，他们发现这一材料可以用作荧光织物，动态亚胺键也能赋予织物自愈合的功能。

荧光现象，事实上是本次研究中的一个意外发现。在以往想要实现发光，需要掺入传统的含有大共轭结构的荧光分子。

但是，在该团队的材料体系中，并不含有这种结构，所以当他们发现这一现象时非常激动。

也就是说，本次材料不仅可以实现发光功能而且可以避免大量的有机合成，大大节约了资源。

但是，当时他们对于簇发光并没有足够的了解，所以经过大量的查阅文献以及实验证明，课题组终于搞清了这种非传统发光的机理，并进行了拓展延伸。

“就这样我们以一场意外发现作为引子，并对其内在机理进行了详细的揭示，最终还能真正的应用到日常生活中，这种过程是令人回味无穷的。”郭金宝说。

最终，相关论文以《动态亚胺键实现簇触发自发光、快速自修复和自适应重编程液晶弹性体》（Cluster-Triggered Self-Luminescence, Rapid Self-Healing, and Adaptive Reprogramming Liquid Crystal Elastomers Enabled by Dynamic Imine Bond）为题发在 Advanced Materials[2]。

Qingyan Fan 是第一作者，郭金宝担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

后续，他们将着重提高以下几个方面：

其一，稳定性和耐久性的提升。

增强簇发光液晶弹性体的稳定性和耐久性，延长其使用寿命，并在各种环境条件下保持稳定的性能。

其二，制备工艺的改进。

优化制备工艺、提高生产效率、降低成本，并实现规模化生产，以促进簇发光液晶弹性体技术的商业化应用。

其三，应用领域的拓展。

探索簇发光液晶弹性体在虚拟现实、增强现实、可穿戴设备、柔性显示和照明等领域的更广泛应用，推动其技术和市场的发展。

与此同时，他们拟利用机器学习技术来筛选和构建分子库，从而进一步降低个性化材料开发的周期和成本。

希望可以不断提高簇发光液晶弹性体的性能和应用范围，以满足日益增长的市场需求和技术挑战，促进其在电子显示、照明和其他领域的广泛应用，并推动液晶技术和发光材料的发展和创新。

参考资料：

1.Adv. Funct. Mater.， 2022， 32，2107145; ACS Appl. Mater. Interfaces， 2022， 14， 53348; Cell Rep. Phys. Sci.， 2023， 4， 101583; Sci. China. Mater.， 2024， 67， 355; Sci. China. Chem.， 2024， DOI: 10.1007/s11426-024-2031-0; Light-Sci. Appl.， 2024， DOI: 10.1038/s41377-024-01479-1.

2.Fan, Q., Tang, Y., Sun, H., Guo, D., Ma, J., & Guo, J. (2024). Cluster‐Triggered Self‐Luminescence, Rapid Self‐Healing and Adaptive Reprogramming Liquid Crystal Elastomers Enabled by Dynamic Imine Bond. Advanced Materials, 2401315.

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