近日，北京化工大學教授郭金寶和團隊，打造出一種多功能液晶彈性體，其具有結構固有發光、自我修複、以及形狀記憶的特性。
圖 | 郭金寶（來源：郭金寶）
這款彈性體的網絡結構采用亞胺基動态共價鍵，這種鍵能夠在材料中形成聚集和離解的構象，進而賦予材料多種功能。
這讓本次彈性體在光學性能和機械性能上表現出極佳特性，為液晶彈性體在多個領域的應用提供了新的可能。
（來源：Advanced Materials）
在應用前景上，本次材料可以實作資訊的存儲與傳輸。
與傳統的依賴于光響應分子的資訊記錄材料相比，基于簇發光的材料無需進行複雜的有機合成，進而能夠避免對于環境的污染、以及對于人體健康的潛在威脅。
同時，寫入的資訊具有極高的分辨率和穩定性，能夠高效地實作資訊的存儲，并進一步應用在商标防僞中，為在顯示技術和顯示方位等領域的應用奠定了基礎。
此外，本次材料不僅可以制成薄膜，還可以制成纖維，拓展其在不同形态下的應用潛力。
利用其在拉伸和扭轉過程中的重程式設計能力，可以設計出具有智能感覺和自适應形态的柔性機器人。
在拉伸和加撚的過程中，内部應力通過動态交聯網絡存儲下來。當環境溫度發生變化時，經過重新程式設計的纖維可以将内能轉換為規則的運動，進而實作定向前進。由此可見，這一材料在軟智能機器人領域有着較大的應用潛力。
同時，本次材料在熒光紡織品領域也有很大的應用潛力。比如，可以将纖維進行自定義編織，還可以設計出各種複雜多樣的圖案。
另據悉，該材料的獨特之處在于其具有自修複功能，這使得纖維在發生斷線時能夠自修複，而不需要再經過額外縫合。
修複後的圖案保持其熒光，并且在拉伸時也不會破壞。是以，本次材料不僅能夠用于生态友好的實用化生産，其所擁有高可定制性也增強了使用者接受度。
液晶彈性體的“光學 & 力學”性能平衡之難
基于當代社會可持續發展的背景，功能內建材料的發展也被提出了多方面要求，包括環保性、資源可持續性、能效性等。
材料應該盡可能地降低環境影響，在生産、使用和廢棄過程中減少資源消耗和廢物産生，同時具備高效能的性能和符合社會責任的生産過程，以實作對環境和社會的可持續影響。
液晶彈性體（Liquid Crystal Elastomer，LCE）作為一類新型的智能材料，經過材料合成技術的改進和多功能性的拓展，已成為可持續發展的重要貢獻者。
其可以通過精确控制結構和性能，來實作資源高效利用，減少廢物和能源消耗，并能用于智能材料和可穿戴裝置等領域，推動可持續能源和生活方式的發展。
此外，對于一些新興技術比如可穿戴技術、柔性電子裝置、智能材料等，需要具有多功能性和可定制性的材料來實作潛在應用。
是以，對 LCE 的研究旨在解決現有材料在特定應用中的局限性，同時也是在探索新結構和新性能，以滿足不斷增長的技術和社會需求。
其中，具有光子性能的 LCE 材料更是表現出可調諧和靈活的光學行為，為從軟緻動器、資訊存儲媒體到光學傳感器的應用提供了革命性的途徑。
然而，傳統方法往往伴随着複雜的結構設計和制備工藝。此外，光學性能與力學性能的平衡與融合尚未得到探索，仍是一項挑戰。基于此，郭金寶團隊開展了本次研究。
（來源：Advanced Materials）
意外發現熒光性質
據介紹，課題組最初設想在之前研究基礎之上[1]，開發一種含有動态亞胺鍵的新型液晶彈性體。但在研究過程中，卻意外地發現了這種材料具有熒光性質。
是以，在開始研究液晶彈性體的力學性能和動态共價鍵性能之前，他們試圖首先對液晶彈性體的熒光性質進行了詳細的探究，包括光譜表征和簇發光的驗證。
利用多重峰分析理論計算和對比實驗，該團隊進一步确定了亞胺和仲胺對熒光發光波長的貢獻，這樣一來就能通過控制不同官能團的的含量實作多熒光色 LCE 的制備。
他們還在此基礎上建立了分子庫，以設計新型具有簇發光性質的液晶彈性體。
液晶彈性體的力學性能對其實際應用有重要意義，是以他們系統地研究了該種材料的力學性能及彈性體的動态網絡和實體化學穩定性。
首先是應力應變曲線的測定，因為這涉及到評估材料的軟彈性和進一步的應用。
另外，他們還通過流變實驗以及熱膨脹實驗，證明了所制備的彈性體的動态網絡和實體化學穩定性。
如何将一種新材料投入到實際的使用中去也是一項非常重要的課題。
是以，全面掌握本次 LCE 的性能之後，他們開始着手解決怎麼樣将簇發光的功能與液晶彈性體優異的力學性能結合起來。
定下這個目标以後，他們首先提出了理論應用潛力，将不同熒光色的 LCEs 進行多子產品顯示拼接。這種設計提供了适用于顯示器和光電子應用的多功能裝置。
在實驗過中他們發現，聚合前後的 LCE 簇發光有着較大差別，是以課題組根據這一性質，完全可以實作不依賴于光敏物質的資訊寫入，這極大地降低了資訊記錄材料的制作成本。
（來源：Advanced Materials）
另外，考慮到這種材料的多功能性，當時該團隊恰好接觸到軟智能機器人以及液晶彈性體纖維相關的工作，于是他們立刻着手展開了相關探究。
他們發現如果一開始僅僅是單根纖維的話，它的運動是雜亂無章的。是以，在此基礎上對單根纖維進行加撚彎折形成雙股纖維，借此獲得了能夠進行定向運動的軟機器人。
最後，又将其回歸到纖維的最基本的用途，他們發現這一材料可以用作熒光織物，動态亞胺鍵也能賦予織物自愈合的功能。
熒光現象，事實上是本次研究中的一個意外發現。在以往想要實作發光，需要摻入傳統的含有大共轭結構的熒光分子。
但是，在該團隊的材料體系中，并不含有這種結構，是以當他們發現這一現象時非常激動。
也就是說，本次材料不僅可以實作發光功能而且可以避免大量的有機合成，大大節約了資源。
但是，當時他們對于簇發光并沒有足夠的了解，是以經過大量的查閱文獻以及實驗證明，課題組終于搞清了這種非傳統發光的機理，并進行了拓展延伸。
“就這樣我們以一場意外發現作為引子，并對其内在機理進行了詳細的揭示，最終還能真正的應用到日常生活中，這種過程是令人回味無窮的。”郭金寶說。
最終，相關論文以《動态亞胺鍵實作簇觸發自發光、快速自修複和自适應重程式設計液晶彈性體》（Cluster-Triggered Self-Luminescence, Rapid Self-Healing, and Adaptive Reprogramming Liquid Crystal Elastomers Enabled by Dynamic Imine Bond）為題發在 Advanced Materials[2]。
Qingyan Fan 是第一作者，郭金寶擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）
後續，他們将着重提高以下幾個方面：
其一，穩定性和耐久性的提升。
增強簇發光液晶彈性體的穩定性和耐久性，延長其使用壽命，并在各種環境條件下保持穩定的性能。
其二，制備工藝的改進。
優化制備工藝、提高生産效率、降低成本，并實作規模化生産，以促進簇發光液晶彈性體技術的商業化應用。
其三，應用領域的拓展。
探索簇發光液晶彈性體在虛拟現實、增強現實、可穿戴裝置、柔性顯示和照明等領域的更廣泛應用，推動其技術和市場的發展。
與此同時，他們拟利用機器學習技術來篩選和建構分子庫，進而進一步降低個性化材料開發的周期和成本。
希望可以不斷提高簇發光液晶彈性體的性能和應用範圍，以滿足日益增長的市場需求和技術挑戰，促進其在電子顯示、照明和其他領域的廣泛應用，并推動液晶技術和發光材料的發展和創新。
參考資料：
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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