顆粒在線訊：自然界的許多生物，經過億萬年的環(huán)境自適應、自然選擇和漫長進化，逐漸演變出令人敬畏的自適應變色偽裝能力，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部的納米晶體的排列結構，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結構及其自主動態(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提供了豐富的靈感。近年來國內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構的手性軟光子晶體，不僅選擇性地反射不同波長的可見光，還能夠靈敏地響應環(huán)境刺激變化如力、熱、點、電、光、磁等，呈現(xiàn)出結構色的動態(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域都具有廣泛的應用前景。

近日，天津大學封偉教授、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、自適應光學系統(tǒng)和智能機器人等領域獲得重要應用。相關成果以題為“Mechanochromic,Shape-Programmable and Self-Healable Cholesteric Liquid Crystal Elastomers Enabledby Dynamic Covalent Boronic Ester Bonds”在國際權威期刊《Angewandte Chemie》上發(fā)表。天津大學材料學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基金和天津市自然科學基金等項目的資助。

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生快速且可逆的形狀及顏色變化，CLCEs的結構色可在可見光譜范圍內進行動態(tài)調節(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)下的取向結構，并通過調節(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，CLCE聚合物網絡內部形成新的拓撲結構。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)可逆調控。

圖1. CLCEs的制備、微觀結構、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、圓柱形和更復雜的結構，演示了4D光子驅動器。經過100 ℃和25℃的循環(huán)加熱和冷卻，得到的4D光子驅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室溫自修復性能研究

總結展望

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構的主鏈型膽甾相液晶彈性體中，成功設計和制備了兼具力致變色、形狀可編程和室溫自修復特性的CLCEs。采用兩步巰基-丙烯酸酯邁克爾加成和光聚合反應相結合的各向異性揮發(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特性的CLCEs，有望為開發(fā)基于“智能”軟物質材料的仿生變色偽裝材料、自適應光學系統(tǒng)和軟體機器人等技術的發(fā)展開辟新的道路。

通訊作者簡介

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

封偉，天津大學材料科學與工程學院教授，博士生導師。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合材料在致密儲能和智能導熱等領域的應用及產業(yè)化技術研究。

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