哈佛大学最新Science，双向变形的可编程液晶弹性体！

哈佛大学最新Science，双向变形的可编程液晶弹性体！

• 【科学背景】

小分子液晶（LC）是一种能够自我排列形成有序相的特殊化合物，它们展现出各向异性的特性。例如，由刚性芳香核和短脂肪尾部构成的棒状介相，通常会组织成向列相（Nematic, N），这种相具有长程的取向顺序但缺乏位置顺序。当脂肪族尾部延长，增强了分子间的相互作用，就会形成近晶A（Smectic A, SmA）相，这种相不仅具有远程取向顺序，还有近程的位置顺序，分子在平行层中排列。

这些小分子液晶的特定结构取决于分子的形状、分离程度和拓扑结构，这些因素共同决定了最终的组装排列和相图，使得它们在显示器、药物输送和生物传感器等领域有着广泛的应用。

液晶弹性体（LCEs）结合了液晶的自组装特性和轻度交联聚合物网络的弹性，是一种柔软的材料。从有序的液晶状态到无序的各向同性状态的转变，会使得聚合物链发生定向重构，导致宏观的形变。因此，LCEs被探索用作软体机器人的驱动器，能够执行游泳、抓握和人工肌肉驱动等多种任务，并展现出辅助和光子等独特行为。通过热、光和湿度等刺激，可以实现LCEs的多种驱动方式，扩展了其应用范围。

与传统的小分子LCE不同，LCE中液晶的排列通常受到介质-聚合物偶联和聚合物间链相互作用的影响，这限制了多种LCE中间相的存在和链重构为单一的过渡。例如，当液晶分子以主链或侧链形式共价附着在聚合物链上时，这些结构限制了它们的旋转自由度和重排能力，导致这些LCE主要只表现出一个中间相和一个相应的相变，最常见的是沿着介质对准轴的收缩，称为液晶导向。为了设计出能对单一刺激产生多种变形的材料，通常需要混合材料结构和复杂精确的结构设计，这不仅实现起来复杂，而且表现出强烈的长度尺度依赖性。

• 【科学贡献】

近期，哈佛大学研究团队采用了一种创新的方法来设计液晶弹性体（LCEs），通过结合介质自组装、聚合物链的弹性以及聚合诱导的应力，成功创造出具有两种不同液晶相——貌相近晶C（cSmC）和近晶A（SmA）的新型LCEs。这种材料在经历cSmC到SmA再到各向同性（Iso）相的转变过程中，其微观结构中的应变场发生了异常的反转，从而导致了独特的相反变形模式。具体来说，这些变形模式包括连续的收缩或膨胀，以及在相反方向上的右手或左手扭曲和倾斜，甚至能够产生高频的非单调振荡。这种双向运动是可逆的，意味着材料能够在宏观尺度上实现复杂的高斯变换，为设计能够在不同相态之间转换并执行复杂运动的智能材料提供了新的可能性。相关文章以“Programming liquid crystal elastomers for multistep ambidirectional deformability”为题发表在Science上。  

图1端对端LCE的多相行为

图2 介生结构和聚合结构对端对端LCE相行为的影响。

图3端对LCEs的温度响应性双向变形

图4 LCE末端振荡的刺激反应性张力和频率

• 【创新点】

1. 该研究开发了能够实现多步骤双向变形（如先收缩后扩张）的液晶弹性体，突破了传统软材料单向变形的限制。并通过分子设计和聚合过程，创造了在未聚合单体中不存在的高阶液晶相（cSmC和SmA），扩展了液晶弹性体的相变行为。
2. 本文提出了三个设计原则：(1) 在聚合前对液晶单体进行排列，(2) 创建较少旋转限制的端基液晶-聚合物连接，(3) 利用聚合过程中预排列液晶的定向应力积累。同时展示了通过改变操作温度范围来调节液晶弹性体的变形模式，以及通过光热效应实现远程高频驱动。证明了在宏观尺度上，通过编程液晶弹性体的排列，可以实现高斯曲率的反转，例如从平面到马鞍形再到圆顶形的转变。

四、【科学启迪】

这篇文章讨论了通过分子设计实现液晶弹性体复杂相行为和多步骤双向变形的可能性，强调了聚合前液晶单元排列、端基连接配置和聚合过程中应力积累的重要性，以及这些因素如何共同作用以形成高阶液晶相，从而实现丰富的变形模式。研究还展示了温度和光响应性变形的可逆性和高频响应，以及在宏观尺度上通过编程液晶弹性体排列实现高斯曲率反转的能力，为软物质的功能开发和软体机器人的设计提供了新的策略和灵感。

文章详情： https://doi.org/10.1126/science.adq6434