《Advanced Materials》：Decoupling Photochemical and Photothermal Effects Using Molecular Motors Enables Fast, Intelligent, and Life-Like Motions in Soft Materials
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研究人员在此描述了一种基于液晶聚合物网络（LCPN）的光响应软材料，该材料具有可变的刚度，并包含高效的光驱动分子旋转马达和染料分子。该系统选择性地响应特定波长的光，实现高度可编程和复杂的运动，如跳跃、旋转和爬行。由于分子马达的独特特性，由紫外光触发分子马达（光
研究人员在此描述了一种基于液晶聚合物网络（LCPN）的光响应软材料，该材料具有可变的刚度，并包含高效的光驱动分子旋转马达和染料分子。该系统选择性地响应特定波长的光，实现高度可编程和复杂的运动，如跳跃、旋转和爬行。由于分子马达的独特特性，由紫外光触发分子马达（光化学效应）和由红光照射染料产生的热量（光热效应）可以被解耦并正交控制。该研究展示了分子运动的协同性和放大如何导致合成材料的快速驱动，为开发智能软体机器人提供了新的分子工具和材料工程视角。
**论文解读：基于分子马达解耦光化学与光热效应实现智能软材料快速驱动**
**研究背景与问题**
自然界中生物体的运动与自适应行为为智能人工材料的设计提供了灵感。软体机器人、人工肌肉等领域的快速发展，要求材料在外界刺激下能够实现快速、可编程的复杂形变。光驱动系统因其非接触、高时空精度等优势备受关注。然而，传统光响应材料中，光化学效应（如分子开关的异构化）与光热效应（光能转化为热能）往往相互耦合，难以区分和控制。这种耦合不仅导致光能利用率低，还会干扰对材料响应功能的精确调控，限制了智能软体机器人的发展。因此，解耦光化学与光热效应，实现正交独立控制，是提升光驱动材料性能的关键。
**研究内容与结论**
本研究在《Advanced Materials》上发表了基于液晶聚合物网络（LCPN）的软材料系统，通过引入新型高效分子马达（MDA）和染料DB-14，成功实现了光化学与光热效应的解耦。研究人员证明了该系统在紫外光（365 nm）下，MDA马达发生光异构化，产生分子尺度的几何变化，进而放大为宏观形变，实现形状编码；在红光（660 nm）下，DB-14染料吸收光能转化为热，降低液晶有序度，实现快速可逆驱动。通过调节网络刚度（软、中、硬三种LCPN），研究人员系统研究了力学性能对马达旋转的影响，发现刚性网络会阻碍马达旋转，而光热效应可软化网络，“解锁”马达。该材料在低强度紫外光下即可实现形状编码，且形变可长期保持，与偶氮苯类材料形成鲜明对比。机械测试表明，MDA马达产生的光化学应力是传统第一代马达的17倍以上。最终，研究人员利用该材料实现了跳跃、旋转、爬行等复杂生命般运动，展示了软体机器人应用的巨大潜力。
**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：1）合成醛基功能化的分子马达MDA及单丙烯酸酯对照化合物MMA，并作为共价交联剂引入LCPN；2）通过紫外-可见光谱、核磁共振等表征马达在溶液及网络中的旋转行为；3）制备不同刚度的LCPN薄膜（软LCPN 1、中等LCPN 2、硬LCPN 3），通过改变增塑剂E7含量调节弹性模量；4）利用偏振光显微镜、差示扫描量热法分析液晶取向和热性能；5）采用定制力学测试平台测量光致应力，并结合紫外-可见光谱监测马达异构化动力学；6）通过掩模技术实现区域选择性形状编码，构建软体机器人原型。样本制备基于自制25 μm厚玻璃池，液晶单体混合物购自商业来源。
**研究结果**
**2.1 材料设计**
研究人员设计了含有醛基的第一代分子马达MDA，其吸收红移至363 nm，允许使用商用液晶材料。MDA在旋转循环中表现出近乎完全的转化率和高稳定性，且通过丙烯酸酯末端共价交联到LCPN中，确保了分子运动向宏观尺度的有效传递。
**2.2 分子马达在溶液中的旋转行为**
通过1H-NMR和紫外-可见光谱证实，MDA在溶液中经历两步光化学异构化（ES→ZM，ZM→ZS），光稳态PSS比超过99:1，光异构化量子产率约71%，显著优于未取代的第一代马达。ZM状态半衰期约438小时，表明其稳定性高。
**2.3 分子马达在LCPN中的旋转行为**
紫外-可见光谱显示，MDA在LCPN中保持单向旋转，但半衰期延长至1452小时，表明共价交联降低了旋转频率。通过TD-DFT计算和偏振光谱证实，MDA在光异构化后分子长度从22.2 ?缩短至8.9 ?，且取向从沿液晶方向变为垂直方向。
**2.4 LCPN的形状编码与驱动**
在低强度紫外光（1.2 mW/cm2）下，MDA异构化导致LCPN薄膜向光源弯曲，蓝光可逆。通过控制切割角度和液晶取向（平行、倾斜、splay），可实现弯曲、扭转、螺旋等形状编码。光热效应（红光）可快速驱动形变，且不改变预编程形状，证实了光化学与光热效应的解耦。在刚性网络LCPN 3中，马达旋转受阻，需同时施加红光软化网络才能实现形变，形成“与门”逻辑。
**2.5 由马达旋转产生的机械力**
力学测试表明，MDA在LCPN 1中产生的光化学应力达0.55 MPa，是偶氮苯类近两倍，是传统第一代马达的17倍。应力随网络刚度增加而降低，且MDA的构象变化幅度（22.2→8.9 ?）远大于偶氮苯（9.0→5.5 ?），解释了其高效驱动力。
**2.6 可编程软体机器人**
利用LCPN 1系统，研究人员实现了多种复杂运动：splay取向薄膜压缩成环后，在红光下触发跳跃（5.5 cm，80 ms）；平行取向薄膜经紫外掩模编码后，在红光下产生旋转运动；splay取向薄膜经区域编码后，在红光下模拟猴子爬行，实现从一根线到另一根线的攀爬。
**总结与讨论**
研究结论部分指出：本研究提出了一种基于新型高性能分子马达（旋转马达）的软LCPN系统，能够解耦光化学和光热效应，实现快速形状编程和精确驱动。醛基功能化马达在紫外刺激下发生构象变化，放大为宏观形变，实现形状编码；同时，染料分子在红光下驱动液晶有序度降低。通过调节网络刚度（LCPN 1–3），可实现多样化的按需运动模式。力学测试证实，该系统相较于先前报道的系统具有显著增强的机械性能。总体而言，该工作展示了集成高效光能转换、独立形状编码、可编程驱动、高稳定性和可逆性、可重构性及优异力学性能的LCPN系统。这一人工系统强调了在放大分子运动中解耦光热和化学效应的重要性，并证明了利用分子马达可实现包括跳跃、旋转和爬行在内的快速复杂运动。这些进展将推动未来先进自适应软体机器人的发展，并为下一代智能材料开辟新途径。
