东南大学李全院士团队Angew: 基于机械基团诱导自由基聚合的力可训练型液晶弹性体

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-02 07:50

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在自然界中，生物通过不断训练来适应环境变化，进而学习并掌握新的能力，这一现象为智能材料的开发提供了极具价值的思路。然而，想要在合成材料中复制这种适应性学习能力，却面临着巨大的挑战。过去几年间，液晶弹性体被视作制备软机器人的潜在材料之一，但由于其本身是封闭系统，难以与周围环境进行物质交换，所以此前人们并未对其训练和学习能力展开研究。如今，受生物训练现象的启发，科研人员发现液晶弹性体能够借助机械应力诱导自由基聚合的方式实现物质交换，进而实现自我增强并获得新的功能。

近日，东南大学李全院士团队提出了一项创新性的策略，通过将机械基团四芳基丁二腈（TASN）整合到液晶弹性体的主链中，成功实现了对液晶弹性体的训练，打破了合成材料与外界环境之间物质交换的壁垒。这项研究结果表明，液晶弹性体可以通过机械应力触发自由基的产生和诱导自由基聚合反应来实现自我增强，并获得链缠结、光响应性和荧光颜色等新功能，为创造具有自主自我完善功能的先进智能软材料提供了指导。该工作以“Force-Trainable Liquid Crystal Elastomer Enabled by Mechanophore-Induced Radical Polymerization”为题发表于Angewandte Chemie International Edition (Angew. Chem. Int. Ed., 2024, e202423584. )。文章第一作者是东南大学在读博士生徐艺艺，文章通讯作者是东南大学李全院士,杨洪教授和黄帅副教授。该工作得到了江苏省“双创团队”计划、国家自然科学基金等项目的资助。

【液晶弹性体的力诱导自由基聚合机理】

研究者合成出具有液晶性的机械基团TASN-acrylate，引入巯基-丙烯酸酯迈克尔加成反应体系中，从而制备出具有力触发产生自由基的液晶弹性体薄膜材料。在力触发碳自由基聚合的帮助下，通过学习所设计的中间体的优异性能，可以实现液晶弹性体材料自身性能的扩展与增强（图1）。

图1. 由力触发自由基生成和自由基聚合反应产生训练学习行为的示意图和分子机理

【液晶弹性体的训练与学习行为】

基于力触发自由基生成和自由基聚合反应的机制，研究团队设计了一个可以与周围环境交换物质的液晶弹性体，通过在主链中共价整合TASN-acrylate，成功赋予该材料训练和学习的能力。在此基础上，研究团队进一步深入探究了该液晶弹性体在PEG-MA、Azo-MA和Pyrenyl-MA等不同的“学习中间体”中进行训练后，TASN-LCE成功学习到了链缠结（图2）、光响应性和荧光颜色等（图3）原本不具备的新功能。