在自然界中，生物透過不斷訓練來適應環境變化，進而學習並掌握新的能力，這一現象為智慧材料的開發提供了極具價值的思路。然而，想要在合成材料中複製這種適應性學習能力，卻面臨著巨大的挑戰。過去幾年間，液晶彈性體被視作製備軟機器人的潛在材料之一，但由於其本身是封閉系統，難以與周圍環境進行物質交換，所以此前人們並未對其訓練和學習能力展開研究。如今，受生物訓練現象的啟發，科研人員發現液晶彈性體能夠藉助機械應力誘導自由基聚合的方式實現物質交換，進而實現自我增強並獲得新的功能。
近日，東南大學李全院士團隊提出了一項創新性的策略，透過將機械基團四芳基丁二腈（TASN）整合到液晶彈性體的主鏈中，成功實現了對液晶彈性體的訓練，打破了合成材料與外界環境之間物質交換的壁壘。這項研究結果表明，液晶彈性體可以透過機械應力觸發自由基的產生和誘導自由基聚合反應來實現自我增強，並獲得鏈纏結、光響應性和熒光顏色等新功能，為創造具有自主自我完善功能的先進智慧軟材料提供了指導。該工作以“Force-Trainable Liquid Crystal Elastomer Enabled by Mechanophore-Induced Radical Polymerization”為題發表於Angewandte Chemie International Edition (Angew. Chem. Int. Ed.,2024, e202423584. )。文章第一作者是東南大學在讀博士生徐藝藝，文章通訊作者是東南大學李全院士,楊洪教授和黃帥副教授。該工作得到了江蘇省“雙創團隊”計劃、國家自然科學基金等專案的資助。
【液晶彈性體的力誘導自由基聚合機理】
研究者合成出具有液晶性的機械基團TASN-acrylate，引入巰基-丙烯酸酯邁克爾加成反應體系中，從而製備出具有力觸發產生自由基的液晶彈性體薄膜材料。在力觸發碳自由基聚合的幫助下，透過學習所設計的中間體的優異效能，可以實現液晶彈性體材料自身效能的擴充套件與增強（圖1）。
圖1. 由力觸發自由基生成和自由基聚合反應產生訓練學習行為的示意圖和分子機理
【液晶彈性體的訓練與學習行為】
基於力觸發自由基生成和自由基聚合反應的機制，研究團隊設計了一個可以與周圍環境交換物質的液晶彈性體，透過在主鏈中共價整合TASN-acrylate，成功賦予該材料訓練和學習的能力。在此基礎上，研究團隊進一步深入探究了該液晶彈性體在PEG-MA、Azo-MA和Pyrenyl-MA等不同的“學習中間體”中進行訓練後，TASN-LCE成功學習到了鏈纏結（圖2）、光響應性和熒光顏色等（圖3）原本不具備的新功能。
圖2. 經過PEG-MA訓練後得到的薄膜訓練學習行為示意圖及訓練前後薄膜提升重物的對比照片圖
圖3. 經過Azo-MA和Pyrenyl-MA訓練後得到的薄膜訓練學習行為示意圖及訓練前後薄膜向光彎曲能力和熒光顏色的對比照片圖
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！
