主要观点总结
液晶弹性体（LCEs）作为新兴功能材料在智能软机器人、仿生设备和光子晶体制造中具有潜力。为提高LCEs的可回收性，减少塑料废物，北京大学杨槐教授团队设计了一种新型液晶分子用于制备可重新编程、可回收和可自愈合的LCEs。该成果发表在Advanced Functional Materials上。
关键观点总结
关键观点1: 液晶弹性体的潜力和研究目标
液晶弹性体被视为新兴功能材料，在智能软机器人、仿生设备和光子晶体制造中有广泛应用潜力。研究旨在提高LCEs的可回收性，减少塑料废物。
关键观点2: 新型液晶分子的设计和合成
北京大学杨槐教授团队设计并合成了一种具有丙烯酸酯双键和硼酸酯键的新型液晶分子（C6B），用于液晶弹性体薄膜的聚合制备。这种分子具有宽液晶相温域，有利于自修复过程。
关键观点3: LCEs薄膜的自愈合机制和湿度响应性
研究人员通过表征新合成的液晶性C6B分子，发现其在不同相对湿度下呈现不同结构。C6B分子在较低湿度时呈现三聚体形式，通过共价键形成六元环结构。含有C6B分子的LCEs薄膜具有良好的湿度响应性荧光强度和自愈合机制。
关键观点4: AIE分子的湿度响应和LCEs薄膜的制备
研究人员合成了一种含有吡啶鎓盐部分的AIE分子，该分子与水分子具有良好的亲和力。AIE分子的荧光发射峰在不同相对湿度下会发生变化。此外，通过迈克尔加成和紫外光聚合两步的方法制备了含有C6B分子的LCEs薄膜。
关键观点5: LCEs薄膜的编程性形变和智能软机械臂的制备
研究人员通过掺杂AIE分子和CuS纳米粒子，使LCEs薄膜具有红外光驱动的刺激性响应。LCEs薄膜的弯曲角度参数可以通过控制应力梯度的值和分布来编程各种3D形状。最后，利用LCEs薄膜的特性制备了具有多种智能响应的软体机械臂。
正文
液晶弹性体（LCEs）被视为新兴的功能材料，在制造智能软机器人、仿生设备和光子晶体方面具有较大潜力。传统的永久交联LCEs具有固定的响应性驱动行为，为了提高LCEs的可回收性并减少塑料废物，可以在LCEs中引入动态共价键，用于制备可重新编程、可回收和可自愈合的LCEs。其中，动态硼酸酯键可以发生水解/脱水和复分解转换，成为近期研究的热点之一。
近日，
北京大学
杨槐教授
团队
设计并合成了一种同时具有丙烯酸酯双键和硼酸酯键的新型液晶分子（C6B），用于液晶弹性体薄膜的聚合制备。这种分子具有较宽的液晶相温域，有利于实现液晶弹性体的高效自修复过程。该液晶弹性体薄膜在掺杂湿度响应性AIE分子和CuS纳米粒子后，可以实现湿度响应性荧光强度变化和红外光驱动的刺激性响应。
这一成果近期以“Self-Healable, Shape-Programmable and Humidity-Responsive Liquid Crystalline Elastomer Actuators Enabled by Dynamic Covalent Boronic Ester Bonds and Aggregation Induced Emission Luminogens”为题，在线发表在
Advanced Functional Materials
上，北京大学材料科学与工程学院博士研究生
王子正
为论文的第一作者，
北京大学杨槐教授
、
江西师范大学兰若尘特聘教授
和
北京大学张兰英高级工程师
为此工作的共同通讯作者。
研究人员首先对新合成的液晶性C6B分子进行了表征，发现其在不同的相对湿度（RH）下呈现出不同的结构。C6B分子在相对湿度较低时呈现三聚体形式，通过三个分子之间的共价键形成六元环结构。这种苯硼酸分子可以广泛用于制备自愈合材料。为了研究含有C6B分子的LCEs薄膜的自愈合机制，我们将该分子添加到d-DMSO溶液中进行了氢-氘交换反应测试，并使用红外光谱对处于不同相对湿度环境中的C6B分子进行测试。测试结果均证明了上述过程的正确性。
图1 （a）C6B分子在不同湿度条件下的分子结构变化过程。（b）C6B在进行氢氘交换反应前后的核磁共振氢谱图。（c）C6B分子在不同湿度条件下的红外光谱图。
在本研究中，我们合成了一种含有吡啶鎓盐部分的AIE分子，该分子与水分子具有良好的亲和力。由于扭曲的分子内电荷转移效应，AIE分子的荧光发射峰在不同相对湿度下会发生变化。为了表征AIE分子的湿度响应，我们将它们分散在二甲基亚砜（DMSO）溶液中，并在不同相对湿度下进行吸收和荧光光谱测试。随着相对湿度的增加，荧光分子的吸收峰（≈315 nm）的位置保持不变，而相应的强度逐渐降低。此外，荧光强度随着相对湿度的增加而显著降低，当相对湿度从20%增加到80%时，峰值强度降低到其初始状态的八分之一，且这种变化具有良好的可循环重复性。
图2 （a）AIE分子的核磁共振氢谱图。（b）AIE分子随RH增大的吸收光谱图。（c）不同RH下AIE分子在DMSO溶液中的荧光强度变化图。（d）AIE分子荧光强度随RH变化的循环图。
研究人员通过使用迈克尔加成和紫外光聚合两步的方法制备了含有C6B分子的LCEs薄膜。该LCEs薄膜在恒定应力的拉伸下发生平行取向，使用小角XRD进行测试，发现其具有较高的取向度。由于C6B分子具有较高的熔点，该LCEs薄膜也具有较高的玻璃化转变温度，这一点不利于薄膜后续的自愈合过程。为了解决这一问题，研究人员将薄膜配方体系中的二硫醇含量提高，制备了三种不同二硫醇含量的LCEs薄膜，并对它们进行了DSC和力学性能测试。结果表明，当二硫醇含量为20%时，LCEs薄膜具有较好的弹性和可拉伸性，此时LCEs薄膜的玻璃化转变温度较低，适用于接下来的材料制备与性能调控。
图3 不同二硫醇含量（15 wt%、20 wt%和25 wt%）的LCEs薄膜的（a）Tg测试、（b）力学性能测试和（c）自修复性能测试。
之后，研究人员向薄膜中先后掺杂了AIE分子和CuS纳米粒子，并测试了相关的荧光性质和红外光驱动性。掺杂有AIE分子的LCEs薄膜在不同的RH下呈现出不同的荧光强度，掺杂有CuS纳米粒子的LCEs薄膜在808 nm的近红外光驱动下可以发生光响应性形变。在研究了LCEs薄膜的弯曲角度参数后，可以通过控制应力梯度的值和分布来编程各种3D形状。当应力方向平行于材料的长轴时，辐照后会发生弯曲变形。最后，研究人员利用LCEs薄膜的特性制备了具有多种智能响应的软体机械臂。首先，智能软体机械臂由四个LCEs小条在一端自愈后制备得到。之后，这种柔软的机械臂可以通过在拉伸后的一侧涂上水，并在一端进行应力松弛来实现卷曲行为。由于CuS纳米粒子的强烈光热效应，LCEs薄膜中储存的大量水在使用808 nm近红外光照射后蒸发。最后，智能软机械臂恢复到相对平坦的初始状态，可以再次拉伸以实现下一个循环。这种软机械臂在长期重复循环后也表现出了良好的可回收性、耐用性和性能一致性。
图4 （a）LCEs薄膜的可编程性形变。（b）LCEs薄膜的区域选择性编程驱动。（c）具有多种响应能力的智能软机械臂的形变循环（拉伸、释放、弯曲和展平）。
