Angew. Chem. :面向可进化机器人的氢键超分子网络液晶弹性体

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在自然界中,许多生物体会根据不断变化的环境对自身结构进行重编程,以提高生存机会,海鞘就是一个典型例子。这种自我调节的机制已在热辅助组装的液晶弹性体(LCE)驱动器中得到体现。LCE在可重编程驱动器材料中因其优异的可编程性及快速、可逆的热致应变而脱颖而出。然而,当前的可编程LCE驱动器编程过程往往依赖于高于120°C的高温环境,这可能导致液晶单元在聚合物网络中松弛,从而削弱其形状变形性能,并限制其在生物应用或与低耐热材料集成时的适用性。

中国科学院宁波材料所智能高分子团队陈涛研究员、尹恺阳研究员和肖鹏研究员提出了一种氢键超分子LCE体系,能够在制造后使用模块化策略在温和热处理下快速重编程其结构,以完成附加功能。模块化重编程功能源于通过Michael加成反应将相对弱但高度定向的非液晶氢键段纳入LCE设计。因此,动态网络可以在温和温度(60℃)处理下进行不同LCE模块之间的可逆组装,同时这种热处理对驱动性能的影响有限。



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利用氢键超分子作用,可以实现液晶弹性体(LCE)动态网络的键交换,从而在温和条件下快速且可逆地重构和重编程不同的LCE模块,且无需任何辅助试剂或设备。此外,结合实验与分子动力学模拟方法,对连接界面及各模块的热稳定性进行了评价,并系统研究了不同液晶排列层组装的LCE双层的力学行为,以验证其变形行为的多功能性和界面稳定性。

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在氢键超分子LCE中引入多种功能成分,如导电材料、炭黑或磁性颗粒,极大地拓宽了其在多功能应用中的重编程潜力。概念化验证了一个可进化LCE机器人,能够在陆地和海洋上导航,并修复微电路。氢键超分子网络通过温和的热处理实现了LCE模块的重新配置和重新编程,展示了一种简单且可定制设计的方法,用于高材料和高能效的多能LCE机器人。所提出的工作将为基于弱相互作用,特别是氢键的超分子动态网络的设计原则,为在资源有限的条件下使用许多其他材料系统构建的进化软机器人提供设计原则。

文信息

Hydrogen-Bonded Supramolecular Network Enabled Gentle Reprogramming of Liquid Crystal Elastomer toward Evolutionary Robot

Zhenxing Wang, Muqing Si, Junyi Han, Ying Shen, Guangqiang Yin, Prof. Kaiyang Yin, Prof. Peng Xiao, Prof. Tao Chen


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202416095


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