科學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)絡結構采用亞胺基動態(tài)共價鍵，這種鍵能夠在材料中形成聚集和離解的構象，從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(xiàn)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，本次材料可以實現(xiàn)信息的存儲與傳輸。
與傳統(tǒng)的依賴于光響應分子的信息記錄材料相比，基于簇發(fā)光的材料無需進行復雜的有機合成，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，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，并進一步應用在商標防偽中，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，拓展其在不同形態(tài)下的應用潛力。
利用其在拉伸和扭轉過程中的重編程能力，可以設計出具有智能感知和自適應形態(tài)的柔性機器人。
在拉伸和加捻的過程中，內部應力通過動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡存儲下來。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能轉換為規(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域有著較大的應用潛力。
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，可以將纖維進行自定義編織，還可以設計出各種復雜多樣的圖案。
另據(jù)悉，該材料的獨特之處在于其具有自修復功能，這使得纖維在發(fā)生斷線時能夠自修復，而不需要再經(jīng)過額外縫合。
修復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 & 力學”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構和性能，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備等領域，推動可持續(xù)能源和生活方式的發(fā)展。
此外，對于一些新興技術比如可穿戴技術、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實現(xiàn)潛在應用。
因此，對 LCE 的研究旨在解決現(xiàn)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(xiàn)出可調諧和靈活的光學行為，為從軟致動器、信息存儲介質到光學傳感器的應用提供了革命性的途徑。
然而，傳統(tǒng)方法往往伴隨著復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(zhàn)?；诖耍饘殘F隊開展了本次研究。
（來源：Advanced Materials）
意外發(fā)現(xiàn)熒光性質據(jù)介紹，課題組最初設想在之前研究基礎之上[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。
因此，在開始研究液晶彈性體的力學性能和動態(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。
他們還在此基礎上建立了分子庫，以設計新型具有簇發(fā)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，因此他們系統(tǒng)地研究了該種材料的力學性能及彈性體的動態(tài)網(wǎng)絡和物理化學穩(wěn)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，證實了所制備的彈性體的動態(tài)網(wǎng)絡和物理化學穩(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)異的力學性能結合起來。
定下這個目標以后，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，完全可以實現(xiàn)不依賴于光敏物質的信息寫入，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的工作，于是他們立刻著手展開了相關探究。
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(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《動態(tài)亞胺鍵實現(xiàn)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)?；a(chǎn)，以促進簇發(fā)光液晶彈性體技術的商業(yè)化應用。
其三，應用領域的拓展。
探索簇發(fā)光液晶彈性體在虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、可穿戴設備、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(fā)展。
與此同時，他們擬利用機器學習技術來篩選和構建分子庫，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用范圍，以滿足日益增長的市場需求和技術挑戰(zhàn)，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(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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