Joanna Aizenberg是一位享譽國際的女性科學家，以其卓越的研究成果和跨學科創新能力贏得了全球的尊重和讚譽。作為一名頂級材料學家和四院院士，她的工作在多個領域產生了深遠影響。Aizenberg專注於生物礦化、仿生學、自組裝、晶體工程、表面化學、納米制造和生物材料等領域。她透過深入研究自然界中的生物礦化過程，揭示了生物體如何透過微生物和細胞機制創造複雜無機結構的奧秘。同時，她在仿生學領域的開創性研究，成功設計出模仿自然界功能的智慧材料，如超疏水錶面和抗汙材料，為未來新材料的開發提供了重要啟示。她的工作將科學與自然巧妙結合，為解決能源、環境和醫療等領域的挑戰開闢了新路徑。
今日，Joanna Aizenberg團隊的研究成果登上《Science》，下面，就讓小編帶大家一起拜讀一下大佬的傑作。
對液晶彈性體進行多步雙向變形程式設計
小分子液晶（LC）是一類能夠自組裝形成有序結構的化合物，其特性由分子形狀、相互作用和拓撲結構決定（圖1A）。例如，桿狀液晶可以形成向列（N）相或層狀的SmA相，廣泛應用於顯示器、藥物輸送和生物等領域。液晶彈性體（LCE）將LC的自組裝與交聯聚合物網路的彈性結合，能夠將分子級別的相變轉化為宏觀變形，已用於開發軟體機器人、人工肌肉等（圖1B）。目前，傳統LCE因分子排列受限，通常只能實現單一的中間相和單步變形，這限制了其多模態應用。
在此，哈佛大學Joanna Aizenberg院士聯合俄亥俄州立大學Xiaoguang Wang教授和格羅寧根大學的Michael M. Lerch教授共同利用介晶自組裝、聚合物鏈彈性和聚合誘導應力的組合來設計具有兩種中間相的液晶彈性體：V 形近晶 C (cSmC) 和近晶 A (SmA)。誘導cSmC-SmA-各向同性相變導致微觀結構中應變場異常反轉，從而產生相反的變形模式（例如，連續收縮或膨脹以及相反方向的右手或左手扭曲和傾斜）高頻非單調振盪。這種雙向運動是可擴充套件的，可用於生成宏觀尺度的高斯變換。相關成果以“Programming liquid crystal elastomers for multistep ambidirectional deformability”為題發表在《Science》上，第一作者為姚昱星（已加入香港科技大學），Atalaya Milan Wilborn為共同一作。
Joanna Aizenberg院士、Xiaoguang Wang教授、Michael M. Lerch教授和姚昱星
介晶-聚合物相互作用對端接液晶聚合物相行為的影響
透過設計預對齊液晶單體的端接液晶彈性體，研究實現了多步相變和複雜相行為（圖1C）。分子動力學（MD）模擬顯示，液晶單體在加熱至180°C時處於無序的各向同性（Iso）相，冷卻至50°C時形成向列（N）相，進一步聚合後出現兩種層狀中間相：SmA和傾斜的SmC相（圖1D）。實驗驗證與模擬結果一致，透過WAXS/SAXS測量，觀察到液晶單體從Iso相（150°C）逐漸轉變為SmA相（100°C），再到SmC相（30°C），其中SmC相的傾斜角為35°（圖1E）。偏振光顯微鏡成像進一步確認了這些相變過程。此外，無論是否使用交聯劑，均能觀察到這些相變，表明相變本質上編碼在端接式LCE的化學結構中（圖1F）。差示掃描量熱（DSC）分析顯示單體經歷一次相變，而彈性體則表現出兩個相變。這些結果表明，透過端接液晶設計，可以實現多模態相變，為複雜功能材料的開發提供了新思路。
圖 1.端接 LCE 的多相行為
介晶間相互作用和聚合物網路約束對端上液晶聚合物相行為的影響
研究發現，端接液晶彈性體的分子結構對其相行為有顯著影響（圖1E）。作者研究了間歇性相互作用如何影響相變過程。結果顯示，具有較長尾部的單體形成了cSmC和SmA相，而尾部較短（m=0）的單體由於間歇相互作用不足，僅表現出N相（圖2A, B）。
進一步增加聚合物網路的交聯密度也抑制了中間相的形成。當HDDA濃度低於15%時，觀察到cSmC和SmA相；但濃度增加到17.5%時，cSmC相被抑制，僅保留SmA相；當濃度進一步增加至20%時，完全阻止了中間相的形成（圖2C, D）。此外，透過調整非介生交聯劑的長度，可以控制V形堆積的傾斜角，其中較長的交聯劑會降低傾斜角γ（圖2E）。這一端接LCE系統還支援摻入功能分子，如偶氮苯衍生交聯劑，同時保留cSmC-SmA-Iso相行為，且相轉變溫度最低可降至55°C。這些結果表明，透過分子結構和聚合物網路的最佳化，可以精確調控LCE的多相行為，為多功能材料設計提供了新思路。
圖 2.中間和聚合物結構對端接 LCE 相行為的影響
端接式 LCE 中的雙向機械變形
為了測試cSmC-SmA-Iso相變過程中的分子重構如何產生力學響應，作者透過在磁場中定向單體並聚合，製備了具有程式設計對準方向的LCE微孔板。這一材料在兩次連續相變中表現出獨特的雙向變形模式（圖3A）。當從室溫加熱到100°C時，結構沿導向軸收縮8%；繼續加熱到150°C時，沿同一軸膨脹20%，超出了參考狀態（圖3B）。此外，透過將LCE磁對準於微孔板主軸，還能實現其他型別的變形：例如，cSmC-SmA相變引起的單軸收縮和雙軸膨脹在平行於導向器的平面中產生剪下。當平面對齊微孔板側壁時，結構在加熱時先向左傾斜12°，再向右傾斜20°（圖3C, D）。而當頂面發生剪下但底面因粘附固定時，則導致連續的右旋和左旋扭曲（圖3E）。這種雙向變形在2000次迴圈中保持可逆性。
圖 3.端接式 LCE 的溫度響應雙向變形
可調的張力和端接 LCE 形狀變化的頻率
透過調整工作溫度範圍，作者實現了LCE微孔板多種變形響應模式的調控（圖4A-C）。以表現平面外傾斜的微孔板為例，其傾斜角度隨溫度變化呈現三種模式：單調減少（70°C至110°C傾斜角逐漸減小，向左傾斜）、單調增加（110°C至150°C傾斜角逐漸增大，向右傾斜）、以及非單調變化（70°C到150°C先向左傾斜再向右傾斜）（圖4A-C，虛線）。這種基於接觸加熱的雙向變形可進一步最佳化，用於軟機器人遠端驅動。透過在端接式LCE微結構表面塗覆碳奈米管，並利用脈衝紅外鐳射調節溫度，作者實現了光熱驅動的精準控制。透過調整紅外鐳射的強度和頻率，可將驅動頻率從約0.01 Hz（接觸加熱）提升至約1 Hz（紅外鐳射），並可程式設計設定所需的振盪序列（圖4D）。這一成果為LCE在軟機器人中的應用提供了靈活高效的解決方案。
圖 4.刺激反應張力和端接 LCE 振盪的頻率
宏觀端接 LCE 圓盤的相位相關高斯曲率
研究表明，這些三相端接式LCE能夠在連續相變期間改變應變場方向，具有潛力應用於大規模的人工系統，透過與程式設計對準相結合，實現複雜的宏觀機械驅動，例如高斯曲率（K）的反轉。面內徑向應變場已被廣泛用於誘導面外變形，例如根據應變方向，平坦圓盤（K=0）可變形為馬鞍形（K<0）或圓頂形（K>0）。作者利用磁場開發了一種方法，在大面積LCE片材中編碼徑向導向場（圖5A）。有限元分析和實驗結果均顯示，當經歷cSmC-SmA轉變時，徑向收縮和圓周膨脹導致負高斯曲率（馬鞍形），而SmA-Iso轉變期間的徑向膨脹和圓周收縮則產生正高斯曲率（圓頂形）（圖5B-D）。進一步驗證表明，這些形狀是溫度控制下的熱力學穩定狀態，而非缺陷或殘餘應力引起的不均勻應變。此外，作者還展示了透過溶劑誘導的溶脹（如在丙酮濃度增加的水溶液中）也可實現類似的雙向高斯形狀變形。這一發現為LCE在複雜機械驅動中的應用提供了新方向。
圖 5.具有高斯曲率迴歸的宏觀 LCE 盤
小結
這項研究展示了三相端接式液晶彈性體的多步雙向變形能力及其在軟機器人領域的潛力。透過分子設計，結合聚合應力和分子間相互作用，實現了從cSmC到SmA再到Iso相的連續相變，每一階段均帶來獨特的變形模式，如順序收縮-膨脹、雙向傾斜和扭曲。利用磁對準技術，可在LCE片材中編碼徑向導向場，實現動態高斯曲率切換，使圓盤形LCE在加熱時從平坦轉變為馬鞍形，再轉為圓頂形。此外，這些LCE可透過溶劑誘導的溶脹或光響應交聯劑進行光碟機動，擴充套件其應用範圍。研究還發現，這些LCE能夠模擬自然界的自我調節行為，例如仿生氣孔細胞對溫度變化的動態響應，僅憑單一材料即可實現穩態行為，無需複雜溫控系統。這些LCE還具有顯著的機械效能，能夠舉起比自身重量大450倍的物體，展現出作為人工肌肉的潛力。這一系列LCE透過結合動態共價鍵、光熱效應及手動導向模式等技術，為智慧化、多功能軟體材料的開發提供了重要啟發。
來源：高分子科學前沿
宣告：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
