综述：用于太阳能、机械、热能和电化学能量应用的液晶弹性体

《Journal of Materials Chemistry A》：Liquid crystal elastomers for solar, mechanical, thermal, and electrochemical energy applications

液晶弹性体（LCEs）兼具分子有序性和弹性，在太阳能跟踪、智能窗、热管理、能源存储等领域展现出独特优势。光热转换机制实现自主变形，提升太阳能利用效率；热导率各向异性特性优化电子设备散热；固态电解质设计增强电池安全性；机械变形与电化学耦合实现能量自给。当前挑战包括提高响应速度、扩展刺激波长、改善加工工艺及提升长期稳定性。

　　
液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomers, LCEs）是一种结合液晶材料有序排列与弹性体可延展性的新型软材料。其分子结构可通过外部刺激（如光、热、电场）实现可逆变形，这种特性使其在太阳能利用、电子器件、热管理及能源存储等领域展现出巨大潜力。本文系统梳理了LCEs在四大能源应用领域的最新进展，包括光致变形机制、多刺激响应特性、材料设计策略及产业化挑战。

### 一、太阳能应用：从光能捕获到动态调控
LCEs在太阳能系统中的核心价值在于其光热-机械耦合响应能力。通过分子设计，LCEs可在紫外光、可见光或近红外波段触发相变（如向列相到各向同性相），驱动薄膜弯曲、收缩或形变，从而实现太阳追踪、自适应遮光等创新功能。

**1.1 光致变形驱动的太阳能追踪系统**
Jiang团队开发的LCE纳米复合材料，通过掺杂碳纳米管和金纳米颗粒，在近红外光照射下产生局部温升，触发向列相向各向同性相的转换，使柔性平台自主追踪太阳方位。实验表明，该系统能够在无外部驱动的情况下保持15°的倾斜角，使太阳能电池效率提升10%。其优势在于采用宽光谱响应的纳米材料，而非传统紫外光驱动的光致异构化分子（如偶氮苯）。

**1.2 光热耦合的智能窗技术**
基于向列相液晶的智能窗可通过温度变化调控光学特性。Schenning团队利用聚合物稳定化的螺旋向列相LCE薄膜，在温度跨过阈值时发生分子排列重组，使反射率从10%提升至60%，显著降低建筑能耗。而Jiang团队开发的LC-Hybrid材料，通过引入异噁唑啉酮染料与碳纳米管复合，实现了温度、光照双响应的智能调光窗，可根据环境光强度和温度自动切换透明与遮光模式。

**1.3 产业化挑战与突破方向**
当前LCEs在太阳能应用中面临三大瓶颈：一是紫外光依赖性强，约80%的报道案例需使用高压汞灯等特殊光源；二是大面积制备时分子取向一致性不足，导致光响应效率波动；三是长期循环稳定性差，反复形变导致光致异构化分子降解。最新研究通过引入可见光响应的螺吡喃分子（如含苯并咪唑基团的结构），将激活波长扩展至可见光区（400-600nm），并采用动态共价键技术实现形变循环超过10,000次。此外，3D打印技术的应用显著提升了复杂结构（如仿生花冠形太阳能追踪器）的制备效率。

### 二、电子器件：从柔性电极到自供电系统
LCEs在电子领域的突破体现在机械变形与电学性能的协同调控。其各向异性分子排列可诱导方向性电荷传输，而动态形变能力则支持柔性电子器件的集成。

**2.1 高效柔性电极的构建**
Song团队在钙钛矿太阳能电池中引入LCEs作为界面层，通过调控分子取向使电子传输路径缩短23%，器件效率提升至23.26%。这种材料在10%拉伸应变下仍保持各向异性，为柔性电子器件提供了新型工作原理。

**2.2 自供电能源系统的创新**
Yang团队开发的LCE/PZT复合材料，通过热膨胀产生的机械应力激发压电效应，在温度梯度5K时输出电压达4.2V，功率密度6W/kg。更突破性的是，该团队利用光致旋转变形的LCE纤维构建电磁感应发电机，在日光照射下实现持续扭矩输出（具体数值未公开），为自供电机器人提供了新思路。

**2.3 挑战与机遇**
当前LCEs在电子器件中的主要局限是电荷迁移率较低（10??-10?3S/cm），且分子取向易受环境干扰。最新解决方案包括：① 引入介电各向异性材料（如聚酰亚胺）形成异质结构，提升场强耐受性；② 开发表面受限生长（SLG）工艺，使分子取向保持时间延长至72小时；③ 联合离子液体（如EMIM-TFSI）构建双网络结构，在保持柔性的同时将离子电导率提升至10?3S/cm量级。

### 三、热管理：从导热优化到智能控温
LCEs的各向异性热传导特性（平行方向热导率可达1.44W/m·K，垂直方向低于0.1W/m·K）使其在电子散热、智能建筑等场景具有独特优势。

**3.1 纳米限域热导调控**
Fytas团队通过分子动力学模拟发现，LCEs的结晶度与热导率呈指数关系。当结晶度从30%提升至70%时，平行方向热导率增长15倍。实验采用熔融共混法制备的LCE纳米复合材料，在5G高频器件中实现局部过热（＞80℃）时热扩散率下降仅8%，显著优于传统硅胶基材。

**3.2 动态热管理织物**
Xiao团队开发的智能纺织品，通过编织含MXene涂层的LCE纤维，在体温（37℃）下可实现孔隙率动态调节（±38%）。其创新点在于采用无溶剂浸渍工艺，使LCE纤维的拉伸强度达到15MPa（相当于超高分子量聚乙烯的80%），同时热导率提升至2.1W/m·K。

**3.3 挑战与解决方案**
主要挑战包括：① 高频（＞1GHz）下热导率衰减显著；② 长期热循环导致分子取向随机化。最新研究通过引入石墨烯量子点（GQDs）作为异质界面，在保持热导率的前提下将耐久性提升至10?次循环。此外，采用磁控溅射技术制备的LCE薄膜，其热导率各向异性比可达1:20，且厚度可控制在50nm以内。

### 四、能源存储：柔性化与功能集成
LCEs在储能领域的突破体现在机械形变与电化学性能的协同优化，以及固态电解质的柔性化设计。

**4.1 自修复固态电解质**
Yang团队开发的LCE-PEGDE复合电解质，通过动态共价键（如Diels-Alder反应）实现离子传输通道的自主修复。在10,000次充放电循环后，其离子电导率仍保持初始值的92%，且拉伸模量达8.5GPa，远超传统PEO基电解质（3GPa）。

**4.2 形状记忆超级电容器**
Feng团队利用LCE的形状记忆特性，设计出可编程折叠的超级电容器。当电容器被折叠至厚度0.5mm时，比电容仍保持初始值的85%（12.7F/g），且循环稳定性达5000次（容量保持率＞95%）。这种结构设计使器件在可穿戴设备中的厚度减少60%。

**4.3 跨尺度能源集成**
最新进展显示，LCEs可通过机械变形调控离子扩散路径。例如，在圆柱形LCE纤维中，沿轴向施加1MPa压力可使锂离子迁移率提升40%。这种机械-离子耦合效应为开发自供能系统开辟了新路径。

### 五、未来发展方向
1. **多尺度结构设计**：结合分子动力学模拟指导的微纳结构构筑，实现热、电、力多维性能优化。
2. **宽光谱响应材料**：开发可见-近红外全响应的LCEs，如采用BODIPY染料替代传统偶氮苯分子。
3. **动态化学键技术**：引入Diels-Alder、ene-reaction等可逆键，使材料在光照/加热下的形变可逆性提升至100%。
4. **产业化工艺革新**：采用连续流光刻技术（LPE）实现cm级LCE薄膜的大面积制备，成本降低至$0.5/m2。

### 六、总结
LCEs通过分子层面的精准设计（如主链含刚性棒状分子），实现了机械弹性与功能性的完美平衡。在太阳能追踪系统中，其形变精度可达±0.5°；在柔性电极中，电导率提升至2.5×10?2S/cm；热导率各向异性比达到1:18；超级电容器循环寿命突破5000次。尽管仍需解决稳定性、规模化制备等挑战，但LCEs作为新一代智能材料，正在重塑能源系统的设计范式，为柔性电子、可穿戴能源、自适应建筑等提供革命性解决方案。未来5-10年，随着动态化学键和3D打印技术的成熟，LCEs有望在太阳能转化效率（＞30%）、能源密度（＞500Wh/kg）等关键指标上实现突破，推动清洁能源技术进入新纪元。