科學(xué)家制備新型液晶彈性體，無(wú)需傳統(tǒng)發(fā)光體就能實(shí)現(xiàn)內(nèi)源發(fā)光，極大降低功能集成材料制造成本
發(fā)布人：深科技
時(shí)間：2024-05-16
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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(jié)構(gòu)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(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(jī)械性能上表現(xiàn)出極佳特性，為液晶彈性體在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能。
（來(lái)源：Advanced Materials）在應(yīng)用前景上，本次材料可以實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)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(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的有機(jī)合成，從而能夠避免對(duì)于環(huán)境的污染、以及對(duì)于人體健康的潛在威脅。
同時(shí)，寫入的信息具有極高的分辨率和穩(wěn)定性，能夠高效地實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)，并進(jìn)一步應(yīng)用在商標(biāo)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(guò)程中的重編程能力，可以設(shè)計(jì)出具有智能感知和自適應(yīng)形態(tài)的柔性機(jī)器人。
在拉伸和加捻的過(guò)程中，內(nèi)部應(yīng)力通過(guò)動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)下來(lái)。當(dāng)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(nèi)能轉(zhuǎn)換為規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)定向前進(jìn)。由此可見，這一材料在軟智能機(jī)器人領(lǐng)域有著較大的應(yīng)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(yīng)用潛力。比如，可以將纖維進(jìn)行自定義編織，還可以設(shè)計(jì)出各種復(fù)雜多樣的圖案。
另?yè)?jù)悉，該材料的獨(dú)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(shí)能夠自修復(fù)，而不需要再經(jīng)過(guò)額外縫合。
修復(fù)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(qiáng)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(dāng)代社會(huì)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(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(zé)任的生產(chǎn)過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境和社會(huì)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(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(xù)發(fā)展的重要貢獻(xiàn)者。
其可以通過(guò)精確控制結(jié)構(gòu)和性能，來(lái)實(shí)現(xiàn)資源高效利用，減少?gòu)U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(dòng)可持續(xù)能源和生活方式的發(fā)展。
此外，對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)潛在應(yīng)用。
因此，對(duì) 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(shí)也是在探索新結(jié)構(gòu)和新性能，以滿足不斷增長(zhǎng)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(xiàn)出可調(diào)諧和靈活的光學(xué)行為，為從軟致動(dòng)器、信息存儲(chǔ)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(jì)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(xiàng)挑戰(zhàn)。基于此，郭金寶團(tuán)隊(duì)開展了本次研究。
（來(lái)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(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(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(dòng)態(tài)共價(jià)鍵性能之前，他們?cè)噲D首先對(duì)液晶彈性體的熒光性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的探究，包括光譜表征和簇發(fā)光的驗(yàn)證。
利用多重峰分析理論計(jì)算和對(duì)比實(shí)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步確定了亞胺和仲胺對(duì)熒光發(fā)光波長(zhǎng)的貢獻(xiàn)，這樣一來(lái)就能通過(guò)控制不同官能團(tuán)的的含量實(shí)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(kù)，以設(shè)計(jì)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(duì)其實(shí)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(dòng)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(cè)定，因?yàn)檫@涉及到評(píng)估材料的軟彈性和進(jìn)一步的應(yīng)用。
另外，他們還通過(guò)流變實(shí)驗(yàn)以及熱膨脹實(shí)驗(yàn)，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(wěn)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(xiàng)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(lái)。
定下這個(gè)目標(biāo)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(jìn)行多模塊顯示拼接。這種設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)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(lái)源：Advanced Materials）另外，考慮到這種材料的多功能性，當(dāng)時(shí)該團(tuán)隊(duì)恰好接觸到軟智能機(jī)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(yùn)動(dòng)是雜亂無(wú)章的。所以，在此基礎(chǔ)上對(duì)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(yùn)動(dòng)的軟機(jī)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(dòng)態(tài)亞胺鍵也能賦予織物自愈合的功能。
熒光現(xiàn)象，事實(shí)上是本次研究中的一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)。在以往想要實(shí)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(tuán)隊(duì)的材料體系中，并不含有這種結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象時(shí)非常激動(dòng)。
也就是說(shuō)，本次材料不僅可以實(shí)現(xiàn)發(fā)光功能而且可以避免大量的有機(jī)合成，大大節(jié)約了資源。
但是，當(dāng)時(shí)他們對(duì)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(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)證明，課題組終于搞清了這種非傳統(tǒng)發(fā)光的機(jī)理，并進(jìn)行了拓展延伸。
“就這樣我們以一場(chǎng)意外發(fā)現(xiàn)作為引子，并對(duì)其內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的揭示，最終還能真正的應(yīng)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(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(lái)源：Advanced Materials）后續(xù)，他們將著重提高以下幾個(gè)方面：
其一，穩(wěn)定性和耐久性的提升。
增強(qiáng)簇發(fā)光液晶彈性體的穩(wěn)定性和耐久性，延長(zhǎng)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(jìn)。
優(yōu)化制備工藝、提高生產(chǎn)效率、降低成本，并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，以促進(jìn)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(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、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(dòng)其技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展。
與此同時(shí)，他們擬利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)篩選和構(gòu)建分子庫(kù)，從而進(jìn)一步降低個(gè)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(zhǎng)的市場(chǎng)需求和技術(shù)挑戰(zhàn)，促進(jìn)其在電子顯示、照明和其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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.
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍
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