《Aggregate》：Microphase-Separated Liquid Crystal Elastomer Actuators With Exceptional Strength and Toughness
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液晶弹性体（LCEs）已成为能够实现大幅可逆致动的有吸引力的软致动器。然而，其实际应用潜力一直受到内在权衡的根本限制：可逆致动所需的链柔性本质上限制了实现高机械强度和韧性的分子设计。在此，研究人员报道了一种相分离策略，该策略制备出拉伸强度为92 MPa、韧性为
液晶弹性体（LCEs）已成为能够实现大幅可逆致动的有吸引力的软致动器。然而，其实际应用潜力一直受到内在权衡的根本限制：可逆致动所需的链柔性本质上限制了实现高机械强度和韧性的分子设计。在此，研究人员报道了一种相分离策略，该策略制备出拉伸强度为92 MPa、韧性为247 MJ m?3的LCE。与常规LCE相比，这实现了20倍和40倍的改进，且未牺牲其可逆致动。从机理上讲，这种卓越的力学性能是通过将刚性聚酰胺酸（polyamide acid, PAA）链段引入网络实现的。在成网过程中，这些链段自组装成相分离的纳米结构，作为原位生成的纳米填料，增强材料并赋予其出色的功容量。研究人员的工作表明，利用微相分离显著拓宽了高性能LCE致动器的设计空间，为机械鲁棒且高效的软致动系统铺平了道路。
**论文解读：微相分离策略实现兼具高强度与高韧性的液晶弹性体致动器**
**研究背景与问题**
在聚合物科学中，强度与韧性的权衡一直是核心挑战。增强强度的结构设计（如高交联密度和刚性主链）会限制链运动，从而抑制对韧性至关重要的能量耗散机制；反之，提高韧性所需的分子柔性会损害材料抵抗变形的能力，导致强度降低。这一困境对软致动器尤为关键，因为其性能依赖于功容量（work capacity），后者决定了高负载软体机器人和集成致动-承载系统中的输出能量。因此，需要同时实现高应力、大致动应变和高韧性。
液晶弹性体（LCEs）是软致动器中的突出代表，具有大致动应变、快速响应、高可逆性和优异可编程性等优点，有望应用于可穿戴设备、可调光学元件和仿生机器人系统。然而，LCE的可逆致动依赖于聚合物网络内液晶（LC）基元的取向，这要求分子链具有较大柔性且交联密度较低，以在外部刺激下促进基元取向。但这一结构要求本质上限制了力学强度和韧性，成为长期存在的瓶颈。目前，常规LCE的韧性和强度分别约为6 MJ m
?3和5 MPa。已有多种策略提升LCE力学性能，如引入结晶域、可滑动交联剂、互穿网络、纳米填料、动态共价键和超分子相互作用等，但多数方法往往以牺牲其他性能为代价。因此，同时实现高强度、高韧性和高功容量仍是重大挑战。
微相分离为增强软聚合物提供了有前景的途径，如热塑性弹性体和嵌段共聚物中，硬域提供承载增强（高强度），软域允许变形（韧性）。但将该策略应用于LCE面临挑战：过度相分离会导致刚硬域破坏基元取向或抑制向列-各向同性转变；相分离不足则无法提供有效增强。因此，实现相分离域尺寸足够小以保持基元取向、又足够显著以增强力学鲁棒性，是微相分离LCE开发中的核心障碍。
聚酰亚胺（polyimide）具有刚性主链和超高力学强度，常作为弹性体系统的增强组分。受此启发，研究人员希望将聚酰亚胺类似结构引入LCE以增强强度。为促进有益相分离并提高韧性，这些刚性链段设计为含有亲水基团，以增强与疏水LC基元的不相容性。因此，选择聚酰胺酸（polyamic acid, PAA）作为增强共聚组分。通过PAA硬链段与二丙烯酸酯LC基元的共聚，形成相分离LCE网络。在此混合网络中，PAA利用其固有刚性、强氢键和π-π堆叠相互作用形成力学增强的硬域，而LC基元构成软域以保持致动功能。编程后，所得微相分离LCE展现了强度、韧性和功容量的罕见组合。
**主要技术方法**
研究人员采用的关键技术方法包括：通过缩聚反应合成不同分子量的端胺基聚酰胺酸（diamine-PAA），再与2-异氰酸基丙烯酸乙酯反应制备端丙烯酸酯PAA（diacrylate-PAA）；将其与LC基元（1,4-双[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲苯）通过硫醇进行热交联构建LCE网络；利用动态酯键交换在140°C下进行单畴取向编程；通过核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、差示扫描量热法（DSC）、小角X射线散射（SAXS）、广角X射线散射（WAXS）、偏振光学显微镜（POM）和透射电子显微镜（TEM）表征材料结构与形貌；使用万能拉伸机测试力学性能；通过应力松弛和致动循环实验评估致动行为。样本来源为实验室合成，无特定队列。
**研究结果**
**2.1 相分离LCE样品的合成与表征**
研究人员通过调节PAA分子量和含量，研究了其对LCE性能的影响。机械测试表明，模量随PAA分子量增加而升高，拉伸强度在分子量为1.1 kDa时达到峰值。FT-IR证实PAA成功嵌入网络。DSC显示PAA含量增加会降低向列-各向同性转变温度（T
NI），超过10%时峰消失，表明LC有序性被破坏。力学性能随PAA含量增加而显著提升，含10% PAA的样品拉伸强度约60 MPa，韧性117 MJ m
?3。SAXS显示PAA引入后在q ≈ 0.05 ?
?1出现散射峰，表明微相分离形成，平均域间距约12.5 nm。TEM也观察到相分离结构。PAA含量超过10%时LC衍射峰消失，确认可逆致动依赖于LC域的存在。
**2.2 相分离LCE的致动编程**
利用网络中动态酯键的交换，在140°C下通过预拉伸实现LC取向固定。应力松弛实验证实了酯键的动态性。优化编程条件（100%应变、140°C、50分钟）后，致动应变最大达57%。2D-WAXS和POM证实了基元取向。SAXS显示微相分离形貌在编程后保持不变。致动应变随温度升高而增加，在T
NI附近饱和。材料在25°C至100°C的多次热循环中表现出稳定的可逆致动。通过局部取向编程，制备了仿生花朵和纸鹤等复杂几何形状，实现可逆形变。
**2.3 取向LCE的力学性能与功容量**
取向后的单畴LCE在室温下拉伸强度达92 ± 6 MPa，断裂伸长率772 ± 67%，韧性247 ± 34 MJ m
?3。0.1 g的薄膜可承载8 kg载荷。与文献对比，该材料同时实现了高强度和高伸长率，韧性显著优于其他LCE（多数≤50 MJ m
?3）。原位SAXS表明拉伸时PAA硬域重新取向，提供额外能量耗散。薄膜具有出色的抗穿刺性（厚0.4 mm，最大力70.8 N）。在致动实验中，40 mg的LCE膜可提升355 g重物9 mm，相当于自身重量8875倍，功容量达1060 kJ m
?3。作为人工肌肉，该材料驱动骨骼模型前臂实现约30°的可逆弯曲，所需驱动力2.77至2.38 N。
**总结与讨论**
研究人员开发的微相分离策略克服了LCE中长期存在的强度-韧性权衡。通过引入自组装成纳米增强域的刚性PAA链段，在单一材料中实现了高强度（92 MPa）、超高韧性（247 MJ m
?3）和大致动应变（56%）的罕见组合。微相分离结构实现了高效承载和能量耗散，而网络中的动态键交换允许复杂形变编程。该材料展现出卓越的功容量，可提升近9000倍自身重量的载荷，并具有显著抗穿刺性和人工肌肉实用性。研究结论指出，微相分离作为开发高性能软致动器的有力设计原则，大幅拓宽了材料设计空间，为软体机器人和集成致动-承载装置中要求机械鲁棒、高效、多功能软致动系统铺平了道路。该工作发表于《Aggregate》。
