科學(xué)家制備新型液晶彈性體，無(wú)需傳統發(fā)光體就能實(shí)現內源發(fā)光，極大降低功能集成材料制造成本
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圖 | 郭金寶（來(lái)源：郭金寶）這款彈性體的網(wǎng)絡(luò )結構采用亞胺基動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，這種鍵能夠在材料中形成聚集和離解的構象，從而賦予材料多種功能。
這讓本次彈性體在光學(xué)性能和機械性能上表現出極佳特性，為液晶彈性體在多個(gè)領(lǐng)域的應用提供了新的可能。
（來(lái)源：Advanced Materials）在應用前景上，本次材料可以實(shí)現信息的存儲與傳輸。
與傳統的依賴(lài)于光響應分子的信息記錄材料相比，基于簇發(fā)光的材料無(wú)需進(jìn)行復雜的有機合成，從而能夠避免對于環(huán)境的污染、以及對于人體健康的潛在威脅。
同時(shí)，寫(xiě)入的信息具有極高的分辨率和穩定性，能夠高效地實(shí)現信息的存儲，并進(jìn)一步應用在商標防偽中，為在顯示技術(shù)和顯示方位等領(lǐng)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，拓展其在不同形態(tài)下的應用潛力。
利用其在拉伸和扭轉過(guò)程中的重編程能力，可以設計出具有智能感知和自適應形態(tài)的柔性機器人。
在拉伸和加捻的過(guò)程中，內部應力通過(guò)動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò )存儲下來(lái)。當環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)過(guò)重新編程的纖維可以將內能轉換為規則的運動(dòng)，從而實(shí)現定向前進(jìn)。由此可見(jiàn)，這一材料在軟智能機器人領(lǐng)域有著(zhù)較大的應用潛力。
同時(shí)，本次材料在熒光紡織品領(lǐng)域也有很大的應用潛力。比如，可以將纖維進(jìn)行自定義編織，還可以設計出各種復雜多樣的圖案。
另?yè)?，該材料的獨特之處在于其具有自修復功能，這使得纖維在發(fā)生斷線(xiàn)時(shí)能夠自修復，而不需要再經(jīng)過(guò)額外縫合。
修復后的圖案保持其熒光，并且在拉伸時(shí)也不會(huì )破壞。因此，本次材料不僅能夠用于生態(tài)友好的實(shí)用化生產(chǎn)，其所擁有高可定制性也增強了用戶(hù)接受度。
液晶彈性體的“光學(xué) & 力學(xué)”性能平衡之難基于當代社會(huì )可持續發(fā)展的背景，功能集成材料的發(fā)展也被提出了多方面要求，包括環(huán)保性、資源可持續性、能效性等。
材料應該盡可能地降低環(huán)境影響，在生產(chǎn)、使用和廢棄過(guò)程中減少資源消耗和廢物產(chǎn)生，同時(shí)具備高效能的性能和符合社會(huì )責任的生產(chǎn)過(guò)程，以實(shí)現對環(huán)境和社會(huì )的可持續影響。
液晶彈性體（Liquid Crystal Elastomer，LCE）作為一類(lèi)新型的智能材料，經(jīng)過(guò)材料合成技術(shù)的改進(jìn)和多功能性的拓展，已成為可持續發(fā)展的重要貢獻者。
其可以通過(guò)精確控制結構和性能，來(lái)實(shí)現資源高效利用，減少廢物和能源消耗，并能用于智能材料和可穿戴設備等領(lǐng)域，推動(dòng)可持續能源和生活方式的發(fā)展。
此外，對于一些新興技術(shù)比如可穿戴技術(shù)、柔性電子設備、智能材料等，需要具有多功能性和可定制性的材料來(lái)實(shí)現潛在應用。
因此，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(shí)也是在探索新結構和新性能，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的技術(shù)和社會(huì )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(xué)行為，為從軟致動(dòng)器、信息存儲介質(zhì)到光學(xué)傳感器的應用提供了革命性的途徑。
然而，傳統方法往往伴隨著(zhù)復雜的結構設計和制備工藝。此外，光學(xué)性能與力學(xué)性能的平衡與融合尚未得到探索，仍是一項挑戰?；诖?，郭金寶團隊開(kāi)展了本次研究。
（來(lái)源：Advanced Materials）
意外發(fā)現熒光性質(zhì)據介紹，課題組最初設想在之前研究基礎之上[1]，開(kāi)發(fā)一種含有動(dòng)態(tài)亞胺鍵的新型液晶彈性體。但在研究過(guò)程中，卻意外地發(fā)現了這種材料具有熒光性質(zhì)。
因此，在開(kāi)始研究液晶彈性體的力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵性能之前，他們試圖首先對液晶彈性體的熒光性質(zhì)進(jìn)行了詳細的探究，包括光譜表征和簇發(fā)光的驗證。
利用多重峰分析理論計算和對比實(shí)驗，該團隊進(jìn)一步確定了亞胺和仲胺對熒光發(fā)光波長(cháng)的貢獻，這樣一來(lái)就能通過(guò)控制不同官能團的的含量實(shí)現多熒光色 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(fā)光性質(zhì)的液晶彈性體。
液晶彈性體的力學(xué)性能對其實(shí)際應用有重要意義，因此他們系統地研究了該種材料的力學(xué)性能及彈性體的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )和物理化學(xué)穩定性。
首先是應力應變曲線(xiàn)的測定，因為這涉及到評估材料的軟彈性和進(jìn)一步的應用。
另外，他們還通過(guò)流變實(shí)驗以及熱膨脹實(shí)驗，證實(shí)了所制備的彈性體的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )和物理化學(xué)穩定性。
如何將一種新材料投入到實(shí)際的使用中去也是一項非常重要的課題。
所以，全面掌握本次 LCE 的性能之后，他們開(kāi)始著(zhù)手解決怎么樣將簇發(fā)光的功能與液晶彈性體優(yōu)異的力學(xué)性能結合起來(lái)。
定下這個(gè)目標以后，他們首先提出了理論應用潛力，將不同熒光色的 LCEs 進(jìn)行多模塊顯示拼接。這種設計提供了適用于顯示器和光電子應用的多功能設備。
在實(shí)驗過(guò)中他們發(fā)現，聚合前后的 LCE 簇發(fā)光有著(zhù)較大區別，所以課題組根據這一性質(zhì)，完全可以實(shí)現不依賴(lài)于光敏物質(zhì)的信息寫(xiě)入，這極大地降低了信息記錄材料的制作成本。
（來(lái)源：Advanced Materials）另外，考慮到這種材料的多功能性，當時(shí)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(guān)的工作，于是他們立刻著(zhù)手展開(kāi)了相關(guān)探究。
他們發(fā)現如果一開(kāi)始僅僅是單根纖維的話(huà)，它的運動(dòng)是雜亂無(wú)章的。所以，在此基礎上對單根纖維進(jìn)行加捻彎折形成雙股纖維，借此獲得了能夠進(jìn)行定向運動(dòng)的軟機器人。
最后，又將其回歸到纖維的最基本的用途，他們發(fā)現這一材料可以用作熒光織物，動(dòng)態(tài)亞胺鍵也能賦予織物自愈合的功能。
熒光現象，事實(shí)上是本次研究中的一個(gè)意外發(fā)現。在以往想要實(shí)現發(fā)光，需要摻入傳統的含有大共軛結構的熒光分子。
但是，在該團隊的材料體系中，并不含有這種結構，所以當他們發(fā)現這一現象時(shí)非常激動(dòng)。
也就是說(shuō)，本次材料不僅可以實(shí)現發(fā)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(shí)他們對于簇發(fā)光并沒(méi)有足夠的了解，所以經(jīng)過(guò)大量的查閱文獻以及實(shí)驗證明，課題組終于搞清了這種非傳統發(fā)光的機理，并進(jìn)行了拓展延伸。
“就這樣我們以一場(chǎng)意外發(fā)現作為引子，并對其內在機理進(jìn)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(guò)程是令人回味無(wú)窮的?！惫饘氄f(shuō)。
最終，相關(guān)論文以《動(dòng)態(tài)亞胺鍵實(shí)現簇觸發(fā)自發(fā)光、快速自修復和自適應重編程液晶彈性體》（Cluster-Triggered Self-Luminescence, Rapid Self-Healing, and Adaptive Reprogramming Liquid Crystal Elastomers Enabled by Dynamic Imine Bond）為題發(fā)在 Advanced Materials[2]。
Qingyan Fan 是第一作者，郭金寶擔任通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Materials）后續，他們將著(zhù)重提高以下幾個(gè)方面：
其一，穩定性和耐久性的提升。
增強簇發(fā)光液晶彈性體的穩定性和耐久性，延長(cháng)其使用壽命，并在各種環(huán)境條件下保持穩定的性能。
其二，制備工藝的改進(jìn)。
優(yōu)化制備工藝、提高生產(chǎn)效率、降低成本，并實(shí)現規?；a(chǎn)，以促進(jìn)簇發(fā)光液晶彈性體技術(shù)的商業(yè)化應用。
其三，應用領(lǐng)域的拓展。
探索簇發(fā)光液晶彈性體在虛擬現實(shí)、增強現實(shí)、可穿戴設備、柔性顯示和照明等領(lǐng)域的更廣泛應用，推動(dòng)其技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展。
與此同時(shí)，他們擬利用機器學(xué)習技術(shù)來(lái)篩選和構建分子庫，從而進(jìn)一步降低個(gè)性化材料開(kāi)發(fā)的周期和成本。
希望可以不斷提高簇發(fā)光液晶彈性體的性能和應用范圍，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的市場(chǎng)需求和技術(shù)挑戰，促進(jìn)其在電子顯示、照明和其他領(lǐng)域的廣泛應用，并推動(dòng)液晶技術(shù)和發(fā)光材料的發(fā)展和創(chuàng )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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