科學(xué)家制備新型液晶彈性體，無需傳統(tǒng)發(fā)光體就能實現(xiàn)內(nèi)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（來源：郭金寶）這款彈性體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用亞胺基動態(tài)共價鍵，這種鍵能夠在材料中形成聚集和離解的構(gòu)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(xiàn)出極佳特性，為液晶彈性體在多個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能。
（來源：Advanced Materials）在應(yīng)用前景上，本次材料可以實現(xiàn)信息的存儲與傳輸。
與傳統(tǒng)的依賴于光響應(yīng)分子的信息記錄材料相比，基于簇發(fā)光的材料無需進行復(fù)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，寫入的信息具有極高的分辨率和穩(wěn)定性，能夠高效地實現(xiàn)信息的存儲，并進一步應(yīng)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
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(yīng)用潛力。
利用其在拉伸和扭轉(zhuǎn)過程中的重編程能力，可以設(shè)計出具有智能感知和自適應(yīng)形態(tài)的柔性機器人。
在拉伸和加捻的過程中，內(nèi)部應(yīng)力通過動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)存儲下來。當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，經(jīng)過重新編程的纖維可以將內(nèi)能轉(zhuǎn)換為規(guī)則的運動，從而實現(xiàn)定向前進。由此可見，這一材料在軟智能機器人領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用潛力。
同時，本次材料在熒光紡織品領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用潛力。比如，可以將纖維進行自定義編織，還可以設(shè)計出各種復(fù)雜多樣的圖案。
另據(jù)悉，該材料的獨特之處在于其具有自修復(fù)功能，這使得纖維在發(fā)生斷線時能夠自修復(fù)，而不需要再經(jīng)過額外縫合。
修復(fù)后的圖案保持其熒光，并且在拉伸時也不會破壞。因此，本次材料不僅能夠用于生態(tài)友好的實用化生產(chǎn)，其所擁有高可定制性也增強了用戶接受度。
液晶彈性體的“光學(xué) & 力學(xué)”性能平衡之難基于當代社會可持續(xù)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(xù)性、能效性等。
材料應(yīng)該盡可能地降低環(huán)境影響，在生產(chǎn)、使用和廢棄過程中減少資源消耗和廢物產(chǎn)生，同時具備高效能的性能和符合社會責(zé)任的生產(chǎn)過程，以實現(xiàn)對環(huán)境和社會的可持續(xù)影響。
液晶彈性體（Liquid Crystal Elastomer，LCE）作為一類新型的智能材料，經(jīng)過材料合成技術(shù)的改進和多功能性的拓展，已成為可持續(xù)發(fā)展的重要貢獻者。
其可以通過精確控制結(jié)構(gòu)和性能，來實現(xiàn)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(shè)備等領(lǐng)域，推動可持續(xù)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(shè)備、智能材料等，需要具有多功能性和可定制性的材料來實現(xiàn)潛在應(yīng)用。
因此，對 LCE 的研究旨在解決現(xiàn)有材料在特定應(yīng)用中的局限性，同時也是在探索新結(jié)構(gòu)和新性能，以滿足不斷增長的技術(shù)和社會需求。
其中，具有光子性能的 LCE 材料更是表現(xiàn)出可調(diào)諧和靈活的光學(xué)行為，為從軟致動器、信息存儲介質(zhì)到光學(xué)傳感器的應(yīng)用提供了革命性的途徑。
然而，傳統(tǒng)方法往往伴隨著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhàn)?；诖?，郭金寶團隊開展了本次研究。
（來源：Advanced Materials）
意外發(fā)現(xiàn)熒光性質(zhì)據(jù)介紹，課題組最初設(shè)想在之前研究基礎(chǔ)之上[1]，開發(fā)一種含有動態(tài)亞胺鍵的新型液晶彈性體。但在研究過程中，卻意外地發(fā)現(xiàn)了這種材料具有熒光性質(zhì)。
因此，在開始研究液晶彈性體的力學(xué)性能和動態(tài)共價鍵性能之前，他們試圖首先對液晶彈性體的熒光性質(zhì)進行了詳細的探究，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驗，該團隊進一步確定了亞胺和仲胺對熒光發(fā)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現(xiàn)多熒光色 LCE 的制備。
他們還在此基礎(chǔ)上建立了分子庫，以設(shè)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)性能對其實際應(yīng)用有重要意義，因此他們系統(tǒng)地研究了該種材料的力學(xué)性能及彈性體的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)和物理化學(xué)穩(wěn)定性。
首先是應(yīng)力應(yīng)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(yīng)用。
另外，他們還通過流變實驗以及熱膨脹實驗，證實了所制備的彈性體的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)和物理化學(xué)穩(wěn)定性。
如何將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。
所以，全面掌握本次 LCE 的性能之后，他們開始著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(jié)合起來。
定下這個目標以后，他們首先提出了理論應(yīng)用潛力，將不同熒光色的 LCEs 進行多模塊顯示拼接。這種設(shè)計提供了適用于顯示器和光電子應(yīng)用的多功能設(shè)備。
在實驗過中他們發(fā)現(xiàn)，聚合前后的 LCE 簇發(fā)光有著較大區(qū)別，所以課題組根據(jù)這一性質(zhì)，完全可以實現(xiàn)不依賴于光敏物質(zhì)的信息寫入，這極大地降低了信息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(guān)的工作，于是他們立刻著手展開了相關(guān)探究。
他們發(fā)現(xiàn)如果一開始僅僅是單根纖維的話，它的運動是雜亂無章的。所以，在此基礎(chǔ)上對單根纖維進行加捻彎折形成雙股纖維，借此獲得了能夠進行定向運動的軟機器人。
最后，又將其回歸到纖維的最基本的用途，他們發(fā)現(xiàn)這一材料可以用作熒光織物，動態(tài)亞胺鍵也能賦予織物自愈合的功能。
熒光現(xiàn)象，事實上是本次研究中的一個意外發(fā)現(xiàn)。在以往想要實現(xiàn)發(fā)光，需要摻入傳統(tǒng)的含有大共軛結(jié)構(gòu)的熒光分子。
但是，在該團隊的材料體系中，并不含有這種結(jié)構(gòu)，所以當他們發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象時非常激動。
也就是說，本次材料不僅可以實現(xiàn)發(fā)光功能而且可以避免大量的有機合成，大大節(jié)約了資源。
但是，當時他們對于簇發(fā)光并沒有足夠的了解，所以經(jīng)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(tǒng)發(fā)光的機理，并進行了拓展延伸。
“就這樣我們以一場意外發(fā)現(xiàn)作為引子，并對其內(nèi)在機理進行了詳細的揭示，最終還能真正的應(yīng)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(guān)論文以《動態(tài)亞胺鍵實現(xiàn)簇觸發(fā)自發(fā)光、快速自修復(fù)和自適應(yīng)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(dān)任通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Materials）后續(xù)，他們將著重提高以下幾個方面：
其一，穩(wěn)定性和耐久性的提升。
增強簇發(fā)光液晶彈性體的穩(wěn)定性和耐久性，延長其使用壽命，并在各種環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的性能。
其二，制備工藝的改進。
優(yōu)化制備工藝、提高生產(chǎn)效率、降低成本，并實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，以促進簇發(fā)光液晶彈性體技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。
其三，應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。
探索簇發(fā)光液晶彈性體在虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、可穿戴設(shè)備、柔性顯示和照明等領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用，推動其技術(shù)和市場的發(fā)展。
與此同時，他們擬利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)來篩選和構(gòu)建分子庫，從而進一步降低個性化材料開發(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(yīng)用范圍，以滿足日益增長的市場需求和技術(shù)挑戰(zhàn)，促進其在電子顯示、照明和其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，并推動液晶技術(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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