我院陈义旺/谌烈教授团队在《Macromolecules》上发表最新研究成果

Macromolecules：基于动态牺牲键的耐疲劳液晶弹性体（DOI: 10.1021/acs.macromol.4c00373）

近年来，液晶弹性体（LCEs）作为新兴的智能材料受到了极大的关注。当受到外部刺激（如热、光、电场或磁场）时，LCEs能表现出可逆且显著的形变。LCEs的可逆形变特性使其在软体执行器、机器人技术、生物医学工程等多个领域展现出巨大的应用潜力。为了实现大幅度的形变，LCE材料通常设计为低交联密度的聚合物网络结构。然而，低交联密度意味着LCE网络中可能存在未交联的聚合物链，这带来了一定的挑战。在循环驱动过程中，这些未交联的聚合物链可能会发生不可逆的滑移，导致聚合物链间的物理关联遭到破坏。此外，部分分子网络可能遭受永久性损伤，最终导致LCE材料的疲劳性能较差。因此，开发具有优异疲劳性能的LCE材料至关重要，这将大大拓宽其应用范围并延长其使用寿命。然而，目前针对提高LCE疲劳性能的研究较少。近年来，牺牲键的概念得到了广泛研究，证明其在提高聚合物材料强度和韧性方面具有显著效果。在机械应力下，牺牲键可以优先于材料中的共价键断裂，从而耗散机械能量并保持材料的整体完整性。然而，需注意的是，牺牲键的破坏是不可逆的，这会导致聚合物网络的永久损伤。为了应对这一问题，研究人员在恢复能量耗散机制方面取得了显著进展，开发了许多以动态弱键（如氢键、主客相互作用、(离子相互作用、和金属-配体键）作为牺牲键的材料，能够在机械拉伸后高效耗散能量，并通过可逆的键断裂恢复。

受这些前瞻性研究的启发，南昌大学陈义旺教授团队认为将动态牺牲键引入LCEs中可能是提高机械性能与疲劳性能的可行方案，同时确保LCE材料具有较大的形变能力。四芳基丁二腈（TASN）及其衍生物作为经典的动态共价体系，已经在力致变色聚合物凝胶和弹性体中得到了研究和应用。TASN单元的中心C–C键的键解离能远低于传统C–C键，受拉伸作用时可以生成力致自由基，这些自由基能够自发重新结合形成C–C键，使其成为聚合物材料中的理想牺牲键。南昌大学陈义旺教授团队提出了一种含有TASN基元的多功能LCE材料，命名为LCE–TASN。通过硫醇-丙烯酸点击反应，丙烯酸基末端的TASN衍生物被化学结合到LCE基体中。这一创新设计使LCE–TASN材料表现出优异的疲劳性能和弹性。在应力作用下，TASN单元的弱C–C键优先分解成力致自由基，从而耗散能量，同时保持LCE基体中其他键的完整性。当应力解除后，分离的自由基快速重新结合，形成新的动态牺牲键，保持整个网络的完整性。此外，重新结合的牺牲键可以继续通过解离耗散能量。我们还对所制备的LCE–TASN的介晶性、热性能、机械性能、热诱导的可逆宏观形变、热致变色和热致发光性能进行了深入研究。此外，探讨了LCE–TASN材料的自愈合和可编程性，这归因于TASN中心C–C键在高温下的解离，从而导致LCE网络拓扑结构的重新排列。最后，通过传统纯LCE与LCE–TASN样品的机械性能和循环拉伸-卸载实验的对比，我们评估了这种新型LCE材料的疲劳性能。

[三审三校：邓泽阳 蒋平 袁凯]