近年來，液晶彈性體材料備受關注。當加熱或光照時，這種材料可以實現多種可定製的形變，故在柔性執行器、人造仿生纖維、人造肌肉、柔性機器人等領域有著巨大的應用潛力。

液晶彈性材料內部的分子具有一定取向性，取向之後的分子會被高分子聚合網路鎖定。

這時，施加一個外部刺激比如改變溫度，取向的分子會發生相轉，從而變成無序的狀態，進而帶動更大尺度的分子聚合物網路發生形變。

在宏觀尺度上，這表現為材料在取向方向的收縮，以及在其垂直方向的膨脹。這意味著，要想程式設計這種材料的形變，就得控制其內部分子在空間的取向。

此前，多個課題組都曾報道了透過控制液晶分子在彈性體材料中的取向，從而設計材料形變的方法。

每一種都各有優缺點：比如，在液晶材料的選擇上仍存在一定的侷限性；以及分子取向和高分子聚合網路的形成，必須在同一步驟中完成，以至於很難實現某些特殊分子取向的結構。

也有學者將液晶彈性體材料與其他材料比如水凝膠結合，以便進一步地拓寬材料的選擇空間。

然而，這種策略主要基於雙層或多層的結構。由於不同材料的熱力學效能差別較大，材料之間的粘合性、以及水凝膠材料在使用過程中的穩定性都難以得到很好的控制。

在開發液晶彈性體的新型合成方案、以及相關用途的探索上，賓夕法尼亞大學材料科學與工程系教授楊澍團隊耕耘已久。基於此，他們發明了一種將普通高分子材料變為智慧高分子材料的普適性方法。

其所使用的材料體系，是將具有智慧響應性變形和轉向的液晶彈性體微粒，嵌入普通的彈性體材料。在製備液晶彈性體微粒時，他們利用液晶分子在油水介面的效應來產生分子的取向，並透過聚合反應來鎖定微粒中分子的取向方向。

然後，再在微粒中加入順磁性奈米粒子。這時，微粒的長軸方向就能透過磁場來控制。課題組將這些微粒作為原料，連帶由普通彈性體材料的前驅體一起倒入模具中，並利用磁場來控制微粒的取向。

由於微粒的密度比前驅體大，微粒會在模具中沉底，在交聯和聚合前驅體之後，微粒會被固定在複合薄膜中。

由於微粒在薄膜一側，並且沿著預先設計的方向取向。所以在加熱時，微粒會沿一個方向收縮，這會導致複合薄膜出現彎曲。

進一步地，透過光掩膜和分佈聚合的方法，可以讓微粒在三維空間實現各種取向，從而實現複合薄膜在三維空間的可程式設計彎曲。

（來源：Advanced Materials）

近日，相關論文以《由空間編碼、雙響應液晶彈性體微致動器引導的形狀變形》（Shape Morphing Directed by Spatially Encoded， Dually Responsive Liquid Crystalline Elastomer Micro-Actuators）為題發表在

Advanced Materials

上［1］，劉明珠是第一作者，楊澍擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）

據介紹，這種兼具磁場響應和熱響應的液晶彈性體微粒，本身就是一種非常有趣的材料。將它和普通彈性體結合起來，去研究它們在宏觀尺度的效應也是非常有創意的。

其次，這種基於微粒尺度來設計材料響應性的方法，為該領域提供了一種新的智慧材料合成策略。

如前所述，學界此前報道的液晶彈性體材料，是基於分子水平上的取向，故對材料內的缺陷非常敏感，對材料合成的條件要求也特別高。而這種微粒和彈性體結合的方法，對於材料內部缺陷的包容性更強，合成起來也更簡單。

目前，該團隊主要集中於開發新材料的合成方法，以及研究背後的機理。隨著材料體系的成熟，在那些需要可逆、可控變形的應用場景中，屆時這種智慧材料就能發揮作用。

這些材料的優勢在於：在實現變形的同時，對於外部彈性體材料的選擇比較廣泛。以設計可行走的微型軟體機器人為例，由於機器人形變是由內部微粒引起的，所以彈性體包裹材料具有很大的選擇範圍，能在不受化學環境限制的前提下執行任務。

這種思路不僅適用於彈性體領域，也能拓展到其他功能材料體系，從而透過多級的結構設計，實現複雜材料的簡單合成。

（來源：Advanced Materials）

而起初在做選題策劃時，基於之前的研究成果，課題組鎖定了如下目標：合成一種可程式設計、可變形智慧材料體系。

結合論文一作劉明珠在博士期間的經驗，他們想利用液晶材料在表面活性劑溶液中的取向，來設計一些可以變形的微粒，透過微粒的自組裝實現可變形材料的製備。

然而，說易行難的道理同樣適用於科研。在實踐中，他們遇到了很多難題。其中，微粒合成體系必須待在室溫環境。但是，當處於室溫時，液晶彈性體材料的前驅體，會出現結晶從而難以保持形狀。

鑑於此，他們將之前開發的寡聚物單體、普通液晶單體、以及液晶小分子的混合物，作為新的前驅體。

這樣一來，即便在較低溫度下微粒仍能穩定地存在，同時還能實現所預想的分子排列構型。

而且在聚合之後，當把液晶小分子除去時，研究人員得到了形狀各向異性的橢球形微粒，其在熱效應下具備變形的能力——這是此前文獻從未報道過的。

該團隊表示：“當時我們嗅到了創新點。但是，微粒的組裝很有挑戰性。由於微粒的尺度範圍比一般膠體粒子要大，導致其受重力影響很大，因此很難透過粒子間的遠端作用力進行組裝。”

為解決這一問題，課題組在粒子中透過引入磁性奈米粒子，來控制粒子的取向。

值得注意的是，在研究團隊的體系中，磁性奈米粒子需要經過特定的表面反應才可以穩定存在。在這方面，楊澍的合作者們提供了大量幫助。

而在磁性奈米粒子的選擇上，如果使用普通的磁性粒子，微粒在磁場中會出現遷移現象，不便於分散。經過一番研究，他們選擇了順磁性奈米粒子，合成的微粒在磁場中只會取向、不會遷移。

同時，其又利用重力效應，讓液晶微粒沉於複合膜的一側，從而自動形成雙層結構，無須擔心不同材料之間的粘合性。

解決微粒合成的問題之後，研究團隊又陷入了新的難題：即如何選擇一個基質彈性體來承載微粒。在不影響微粒形變的同時，還能將微粒的形變在宏觀尺度上表現出來。

一開始，他們嘗試了常用的矽膠彈性體，後來發現這種彈性體過於堅硬，會阻礙微粒的形變。而且，在該研究的形變溫度範圍內，矽膠彈性體會發生一定的熱降解。

經過文獻調研和討論後，課題組採用了目前使用的彈性體體系，這種彈性體的模量能被輕易地調節。

此外，由於合成該彈性體的化學反應，與該團隊合成微粒的化學反應相似，故在這種彈性體中微粒可以很好地被固定。在以上兩種組分都定下來之後，研究進度也越來越順。

（來源：Advanced Materials）

另據悉，受到此前研究的啟發，他們將光掩模應用在此次體系中，實現了分割槽域、分步驟的聚合，藉此帶來了複雜度更高的形狀變化。

此外，他們還發現了很多其他方法無法實現的形變，這將給基礎研究和材料應用帶來一定指導意義。

圖 | 此次論文的六位作者（來源：楊澍）

楊澍表示：“研究中我們得到了多位教授和同行的指導和幫助。在一開始的研究中，我們無法確定到底使用什麼方法能讓液晶彈性體微粒實現取向或組裝。一次組會中有人提到利用磁場，這讓我們想到系裡的一位磁性奈米專家 Prof。 Christopher Murray，於是劉明珠就聯絡了他。”

很快，他就回復了楊澍課題組，並且讓他的學生楊聖松來幫忙合成磁性奈米粒子。

在他們的幫助下，劉明珠等人終於篩選出了合適的奈米粒子所需要的條件，即磁性尺寸要小於 20 奈米，同時在有機溶劑中可以穩定分散等。

（來源：Advanced Materials）

接下來，楊澍課題組打算對刺激響應性進行更多的調控，並進一步強化複合材料的效能。

比如，透過在複合材料體系中加入一些光熱分子或奈米粒子，就能利用光來控制複合薄膜的形變。這樣不僅在微粒取向水平上，可以對形變進行控制，也可以透過光的施加方式，來做以進一步的調控。

同時，此次的合成手段也可被繼續最佳化，比如目前使用的光掩膜精度相對較低，致使不同區域的介面處出現了一定程度的微粒聚集。針對此，可透過最佳化光掩膜或最佳化前驅體配方來改進。

此外，還可以開發其他的基質材料，比如課題組現在用的是一種普通彈性體材料，如果將這種材料替換成生物相容性材料，再結合光相應的變形機理，就可以設計一些遠端操控型微小機器人，以用於非侵入性醫療等。

參考資料：

1。Liu， M。， Jin， L。， Yang， S。， Wang， Y。， Murray， C。 B。， & Yang， S。 （2022）。 Shape Morphing Directed by Spatially Encoded， Dually Responsive Liquid Crystalline Elastomer Micro‐actuators。

Advanced Materials

， 2208613。