基于仿生儿茶酚化学解决可重构液晶弹性体力学性能权衡难题

《Nature Communications》：Leveraging catechol chemistry to tackle toughness-softness-work capacity tradeoff in reprogrammable liquid crystal actuators

本研究针对可重构液晶弹性体(LCEs)在韧性、柔软度和做功能力之间的固有矛盾，受贻贝配位化学启发，设计了一种结合共价交联与配位键的大分子交联剂。优化后的LCE材料在保持3.1 MPa低杨氏模量的同时，实现了28.5 MJ/m3的优异韧性，在高于相变温度(Ti)55℃的120℃环境下仍保持5.5 MJ/m3的高温韧性，并具备416 kJ/m3的做功能力。通过调控金属离子种类可实现材料性能差异化，为高性能软体驱动器设计提供了新范式。

　　

在软体机器人技术迅猛发展的当下，液晶弹性体(Liquid Crystal Elastomers, LCEs)因其能将外部刺激转化为机械响应的独特能力，成为理想驱动器材料。特别是通过引入动态化学键赋予LCEs可重构性，实现了驱动模式的可逆调控，显著提升了材料的可持续性和生命周期管理能力。然而，韧性、柔软度和做功能力之间的固有权衡关系，始终制约着其实际应用潜能——材料需同时具备高韧性以承受变形、低模量（<10 MPa）确保人机交互安全，以及高温环境下保持稳定做功能力，这些相互冲突的要求使得传统LCEs难以满足复杂应用场景需求。

为破解这一难题，清华大学研究团队受贻贝足丝中儿茶酚-金属配位作用的启发，创新性地设计了大分子交联剂，将共价交联与配位键结合，成功制备出兼具优异力学性能和可重构功能的LCE材料。这项突破性研究发表于《Nature Communications》，为下一代自适应软体驱动器的发展开辟了新途径。

研究团队采用的关键技术方法包括：通过硫醇-烯点击反应合成硅基保护的儿茶酚功能化聚硅氧烷大分子交联剂；利用迈克尔加成反应构建液晶弹性体网络；通过酸处理实现儿茶酚基团脱保护，并采用溶液浸泡法进行金属离子配位；结合X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱和小角X射线散射(SAXS)等多尺度表征手段验证配位结构；通过动态力学分析(DMA)和单轴拉伸测试评估材料热机械性能；利用光热效应实现激光驱动的局部重编程控制。

合成与表征韧性软质LCE

研究首先设计合成了同时包含共价交联位点和配位位点的大分子交联剂。以巯基丙基甲基硅氧烷均聚物(PMMS)为骨架，通过接枝硅基保护儿茶酚(SPCAT)单元，再与液晶介元RM257和 spacer EDDET反应形成网络。脱保护后暴露的儿茶酚基团与Fe³⁺配位形成CATx-Fe材料。

XPS证实Fe-O相互作用的存在，拉曼光谱在490-620 cm^-1和1250-1500 cm^-1特征峰表明铁-儿茶酚配位成功。SAXS显示配位后出现间距为14.0 nm的散射峰，对应铁-儿茶酚域间距。

CATx-Fe的可重构性与做功能力

应力松弛实验证实配位键的可逆交换特性，CAT4-Fe在120℃下60分钟内应力完全松弛。利用这一特性，通过热编程可实现介晶重新取向，获得单畴LCE驱动器。

CAT4-Fe在无负载条件下最大驱动应变达41%，且具备优异的光热效应，可通过激光照射实现局部重编程。做功能力测试表明，CAT4-Fe能举起自重10,000倍的负载，保持416 kJ/m³的稳定做功能力，经过500次循环后仍保持40%应变。

配位键增强LCE力学性能

配位键引入显著提升材料韧性而不牺牲柔软度。CAT4-Fe韧性达28.5 MJ/m³（较未配位样品提升6倍），模量保持在5 MPa以下。

高温环境下性能同样突出，90℃（高于T_i25℃）时韧性超过9.3 MJ/m³，120℃时仍保持5.5 MJ/m³。这种性能提升源于分子设计使液晶域（微米级）与配位域（纳米级）空间分离，配位键作为牺牲键有效耗散能量。

金属离子调控与性能集成

通过配位不同金属离子可实现材料性能差异化定制。与Zn²⁺、Bi³⁺等配位的LCEs驱动应变达58-70%，而Fe³⁺配位样品韧性提升最显著（6.4倍）。

单一样品内集成不同金属离子可创建机械异质性结构，如Ni²⁺/Fe³⁺双区域薄膜呈现不对称变形。局部刷涂配位技术进一步实现了图案化性能调控，为复杂结构驱动器设计提供了新方法。

该研究通过仿生配位化学策略，成功解决了LCE材料力学性能的固有权衡问题。大分子交联剂设计使材料在保持低模量（<5 MPa）的同时，实现了室温28.5 MJ/m³和高温度5.5 MJ/m³的优异韧性，工作容量达416 kJ/m³。金属离子差异化配位和局部图案化技术为材料性能定制提供了新范式，这种"干细胞式"性能分化策略显著提升了软体驱动器的功能集成度和环境适应性，为开发下一代智能软体机器人奠定了材料基础。