顆粒在線訊：自然界的許多生物，經(jīng)過億萬年的環(huán)境自適應(yīng)、自然選擇和漫長進化，逐漸演變出令人敬畏的自適應(yīng)變色偽裝能力，從而能夠躲避天敵或者向同類發(fā)出交流信號。例如變色龍能夠通過主動控制細胞層內(nèi)部的納米晶體的排列結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)周圍環(huán)境實現(xiàn)自身顏色的變化，達到與背景顏色匹配的目的。研究發(fā)現(xiàn)，變色龍?zhí)幱谄届o狀態(tài)時，這些光子晶體的排列是緊密的，可以特異性地反射短波長的可見光；而當(dāng)變色龍緊張時，它們就會通過機械力作用主動控制光子晶體的疏密程度，使其排列變得更加松散，選擇性反射波長更長的光。這些生物體獨特的表皮微納光學(xué)結(jié)構(gòu)及其自主動態(tài)變色的機制，為我們開發(fā)新型的仿生智能變色材料與技術(shù)提供了豐富的靈感。近年來國內(nèi)外研究團隊在仿生變色龍智能變色光子晶體材料的研究方面已經(jīng)取得了一系列重要進展。手性液晶材料如膽甾相液晶（Cholesteric LiquidCrystal Elastomers, CLCEs）是一類具有周期性螺旋超結(jié)構(gòu)的手性軟光子晶體，不僅選擇性地反射不同波長的可見光，還能夠靈敏地響應(yīng)環(huán)境刺激變化如力、熱、點、電、光、磁等，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)色的動態(tài)變化，這種手性液晶智能變色材料在軍事偽裝和智能機器人等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。

近日，天津大學(xué)封偉教授、王玲教授團隊將動態(tài)共價硼酸酯鍵引入主鏈型膽甾相液晶彈性體中，成功開發(fā)了一種兼具力致變色、形狀可編程和室溫自修復(fù)特性的膽甾相液晶彈性體。該研究為4D可編程（顏色和3D形狀）光子材料的研究提供全新思路，有望在仿生變色偽裝、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和智能機器人等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。相關(guān)成果以題為“Mechanochromic,Shape-Programmable and Self-Healable Cholesteric Liquid Crystal Elastomers Enabledby Dynamic Covalent Boronic Ester Bonds”在國際權(quán)威期刊《Angewandte Chemie》上發(fā)表。天津大學(xué)材料學(xué)院碩士生馬佳哲為論文第一作者，青年教師楊言昭博士為論文共同第一作者，天津大學(xué)王玲教授和封偉教授為論文通訊作者。本工作得到了國家自然科學(xué)基金和天津市自然科學(xué)基金等項目的資助。

論文簡介

作者首先通過各向異性揮發(fā)法合成了一種含有硼酸酯鍵（BDB）的主鏈型膽甾相液晶彈性體，其在機械力作用下產(chǎn)生快速且可逆的形狀及顏色變化，CLCEs的結(jié)構(gòu)色可在可見光譜范圍內(nèi)進行動態(tài)調(diào)節(jié)，并且呈現(xiàn)獨特的圓偏振反射特性。作者通過偏光顯微鏡和廣角X射線衍射觀察到了其在拉伸狀態(tài)下的取向結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)節(jié)B-O鍵的含量，探究了其熱交換性能。將20%BDB-CLCE薄膜在室溫下單軸拉伸60%應(yīng)變，然后在80℃的溫度下保持固定長度4 h，由于熱激活B-O鍵交換反應(yīng)，CLCE聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部形成新的拓撲結(jié)構(gòu)。將樣品冷卻到室溫，得到了取向的綠色CLCE薄膜，其形狀和顏色能夠通過改變溫度實現(xiàn)可逆調(diào)控。

圖1. CLCEs的制備、微觀結(jié)構(gòu)、力致變色及圓偏振反射特性研究

圖2.基于B-O鍵熱交換特性的CLCEs顏色和形狀編程性能研究

作者進一步通過將CLCEs編程成不同顏色和3D形狀，如螺旋形、波形、圓柱形和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，演示了4D光子驅(qū)動器。經(jīng)過100 ℃和25℃的循環(huán)加熱和冷卻，得到的4D光子驅(qū)動器不僅可以改變顏色，還可以在3D形狀和1D CLCE薄膜之間實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換。值得注意的是，利用熱激活B-O鍵交換的特性，還可以將單個4D光子驅(qū)動器重新編程成其他顏色和3D形狀。值得一提的是，作者發(fā)現(xiàn)具有較高B-O鍵含量的CLCE薄膜能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的自修復(fù)性能。例如，將50%BDB-CLCE薄膜切成兩部分，在損傷界面滴加水后于室溫放置24小時，樣品自愈，可拉伸到原始長度的180%，并能承受自身1000倍的重量。利用自愈合CLCEs，作者還展示了由不同顏色的CLCEs組裝的卡通人物和風(fēng)車圖形。

圖3. 基于B-O鍵熱交換特性的CLCEs 3D形狀編程及可重構(gòu)性能研究

圖4. 基于水觸發(fā)B-O鍵重組機制的CLCEs室溫自修復(fù)性能研究

總結(jié)展望

本論文通過將動態(tài)共價硼酸酯鍵引入具有螺旋納米超結(jié)構(gòu)的主鏈型膽甾相液晶彈性體中，成功設(shè)計和制備了兼具力致變色、形狀可編程和室溫自修復(fù)特性的CLCEs。采用兩步巰基-丙烯酸酯邁克爾加成和光聚合反應(yīng)相結(jié)合的各向異性揮發(fā)方法，所制備的CLCE光子晶體智能薄膜，在機械力的作用下，能夠表現(xiàn)出圓偏振反射顏色在整個可見光譜范圍內(nèi)的可逆和動態(tài)變化。利用熱激發(fā)動態(tài)B-O鍵交換特性，實現(xiàn)了CLCEs的任意顏色和三維形狀可控編程，并且CLCEs的形狀和顏色能夠通過改變溫度實現(xiàn)可逆調(diào)控。值得一提的是，研究還發(fā)現(xiàn)具有較高含量B-O鍵的CLCEs在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的自修復(fù)能力。本研究提供了一種簡單和通用的方法制備兼具力致變色、4D（顏色和3D形狀）可編程和高效自修復(fù)特性的CLCEs，有望為開發(fā)基于“智能”軟物質(zhì)材料的仿生變色偽裝材料、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和軟體機器人等技術(shù)的發(fā)展開辟新的道路。

通訊作者簡介

王玲，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。入選國家高層次優(yōu)秀青年人才計劃和天津大學(xué)“北洋青年學(xué)者計劃”特聘教授。主要致力于軟物質(zhì)智能材料、仿生智能材料和功能納米材料的設(shè)計與制備及其在軟體機器人、智能隱身、能源和安全等領(lǐng)域的應(yīng)用研究（www.wanglinglab.com）。

封偉，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。國家杰出青年基金獲得者（2014），國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才（2016）和天津市“杰出人才”。主要研究方向為功能有機碳復(fù)合材料在致密儲能和智能導(dǎo)熱等領(lǐng)域的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。

文章信息：

Jiazhe Ma, Yanzhao Yang, Cristian Valenzuela, Xuan Zhang, LingWang* and Wei Feng*. Mechanochromic, Shape-Programmable and Self-HealableCholesteric Liquid Crystal Elastomers Enabled by Dynamic Covalent Boronic EsterBonds. Angewandte Chemie International Edition, 2021, e202116219.

全文鏈接：

https://doi.org/10.1002/anie.202116219