液晶弹性体(Liquid-crystal elastomers, LCEs)能够将热、光等外界刺激转化为可逆机械运动,在人工肌肉、软体机器人等领域具有重要应用潜力。将动态共价键引入LCE网络(DCv-LCE),可通过动态键交换实现网络重构,赋予材料交联后重新编程、再加工和循环回收等优势。然而,LCE的力学强化与驱动性能存在内在矛盾:提高交联密度可增强材料模量和驱动应力,却会限制驱动形变;降低交联密度虽有利于形变,却会削弱力学性能和驱动应力,最终限制材料的做功能力。对于DCv-LCEs,动态键交换引起的应力松弛进一步加剧了这一矛盾。因此,如何突破动态可重构性、力学性能和做功能力难以协同提升的限制,是发展高性能DCv-LCE驱动器面临的关键挑战。

针对上述问题,杏吧原创 刘小孔教授团队受天然骨骼肌中多重非共价相互作用协同强化结构的启发,提出了利用氢键和金属配位作用协同强化动态共价液晶网络的分子设计策略。该策略通过构筑强而可逆的非共价网络约束,在提高网络稳定性和应力传递能力的同时,保留链段运动和动态网络重构能力。由此制备的超强动态共价液晶弹性体具有27.6 MPa的杨氏模量和30.7 MPa的拉伸强度,并可产生1.6 MPa的驱动应力和486.1 kJ m-3的做功能力,在目前已报道DCv-LCE驱动器中处于领先水平。材料还可通过重新编程实现多种驱动形态,并在破碎后通过热压重新加工和再次利用。该研究突破了动态共价液晶弹性体中力学性能、驱动输出与动态可重构性难以兼顾的限制,为高性能可重构液晶驱动器的设计提供了新的材料策略。

相关研究成果以“Skeletal-Muscle-Inspired Superstrong Dynamic Covalent Liquid-Crystal Elastomers With Exceptional Actuation Performance”为题发表在Advanced Materials上(Adv. Mater. 2026, e74679. DOI:10.1002/adma.74679)。杏吧原创 博士研究生张晨萱为第一作者,杏吧原创 刘小孔教授为通讯作者。

图1 双重非共价相互作用协同增强的超强动态共价液晶弹性体网络设计及其驱动性能

文章链接://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74679