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(TNI)時可產(chǎn)生類肌肉收縮運動,冷卻至TNI以下則恢復原狀。這種獨特的可逆形變特性使其在軟體機器人等領(lǐng)域具有重要的應用價值。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。
中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子團隊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)域的應用探索。針對此問題,該團隊在前期氫鍵超分子LCE體系研究基礎(chǔ)上(Angew. Chemie. Int. Ed.,2025,64(7),e202416095),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)響應特性的新型LCE材料體系(如圖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交聯(lián)密度變化調(diào)控TNI,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)TNI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,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?;谶@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。
該成果以“Photoinduced,Swift,and Reversible Spatiotemporal Programming of Double Dynamically Bonded Liquid Crystal Elastomer Actuators”為題發(fā)表在國際學術(shù)期刊Advanced Materials(doi: 10.1002/adma.202501815)。寧波材料所博士后王振興為文章第一作者,尹愷陽研究員和陳濤研究員為通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金(52473116)和中國博士后科學基金(2023M743619)資助。
圖1 光誘導雙動態(tài)鍵液晶彈性體(DD-LCE)致動器的快速可逆時空編程設(shè)計