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  在不同區域具有不同性能的多材料在生物體中普遍存在，將這種異質性應用于器件中，可以產生多種功能和應用。對于軟體機器人材料，這種多材料集成將實現更豐富的驅動模式和更強的環境適應性。通過在空間水平上對材料性能進行控制，軟體機器人材料可以進一步實現可編程機械性能、可調節響應以及復雜任務的協調多功能性。液晶彈性體（LCE）結合了快速刺激響應行為和高可逆應變能力，已成為一類具有良好前景的軟機器人材料。其可逆驅動可以通過控制均質LCE中液晶基元的取向來實現，但開發具有異質機械和驅動性能的多材料LCE仍然是一個重大挑戰。傳統LCE異質性的構筑方法，如焊接薄膜、動態共價鍵交換、空間選擇性化學反應等方法，通常無法實現LCE在空間異質性與具體性能的精確控制。

  近日，浙江大學鄭寧研究員課題組提出了一種LCE空間異質性的數字編程策略，即在LCE聚合過程中引入光照與加熱引發的順序正交反應，通過改變網絡的拓撲結構實現對LCE性能的調控。研究團隊使用圖案化的數字光對聚合過程進行時空調節，構筑了離散與梯度化的異質拓撲結構，從而在單個LCE材料中實現相變溫度、驅動響應和光學性質的多材料集成。

  2025年10月22日，該工作以“Accessing Multi-Material Liquid Crystal Elastomers Via Digitally Programmable Network Topologies”為題發表在Advanced Materials上。文章的共同第一作者是浙江大學博士研究生盛逸和博士研究生周筱睿。

  在該研究中，光照與加熱作為兩種正交的聚合反應，通過不同的引發順序造成LCE網絡的拓撲結構差異。如圖1所示，LCE單體體系包含了（甲基）丙烯酸酯基、巰基與異氰酸酯基。由于巰基是光照反應與加熱反應的共同反應物，前序反應中巰基的消耗會影響參與后序反應的基團配比，從而造成了先加熱后光照（Heat-Light）與先光照后加熱（Light-Heat）這兩種順序的反應結果差異。其結果導致Heat-Light順序產生輕度交聯的網絡，而Light-Heat順序產生密集交聯的網絡。

圖1 基于順序正交聚合反應的拓撲結構異質化策略

  這種由反應順序不同造成的網絡拓撲結構的差異，可以應用于LCE中以改變其液晶相的性質。如圖2所示，合成LCE的單體包括了液晶單體RM257、擴鏈劑DODT與“差異促進劑”IEMA。IEMA作為異氰酸酯基團的提供者，其加入量影響了兩種順序下得到的聚合物性能差異的大小。研究團隊發現，IEMA的加入量對拓撲結構的影響會使得材料的光學、機械以及熱性能發生改變。Heat-Light樣品的液晶相更加完整，其性質趨向于LCE；而Light-Heat樣品則具有更高的模量與透明度，趨向于普通彈性體。利用這一特性，可以將兩種不同拓撲結構的LCE網絡集成在同一材料中，實現具有防偽功能的溫度響應性圖案。

圖2 兩種反應順序所得到的LCE及其性質

  為進一步探究兩種LCE的差異性，研究團隊對LCE液晶基元取向性質與驅動能力進行了研究。如圖3所示，Heat-Light樣品中有大量動態鍵，可以通過在外力下引發動態鍵交換與應力松弛的方式固定液晶基元的取向。由于Heat-Light樣品具有較低的交聯密度，其液晶基元可以自由排列，通過此方法可以獲得較大的雙向驅動應變，而Light-Heat樣品的交聯密度過高，幾乎無法驅動。通過這一差異，可以實現在同一LCE材料的不同區域引入不同的變形行為，從而實現復雜的可逆驅動。

圖3 LCE薄膜的取向與復雜變形

  研究團隊注意到，在Light-Heat順序中控制前序光照的強度和時間，可以使得所得到的聚合物性能處于Heat-Light與Light-Heat之間的過渡態。如圖4所示，通過調節前序光照的強度，可以得到相轉變溫度處于中間態的LCE材料。進一步地，將具有特定空間強度分布的圖案化數字光用于前序光照，可以得到帶有相轉變溫度異質性的多材料LCE，甚至可以實現相轉變溫度沿特定方向的梯度變化。除圖案化外，如此帶有過渡態相轉變溫度的多材料LCE還可以實現冷卻過程中的按序折疊變形。

圖4 梯度數字光編程LCE圖案化

  該研究通過順序正交反應編輯網絡拓撲結構，實現了無縫的LCE多材料集成。其對光反應動力學的精確控制提供了理論無限的網絡拓撲結構多樣性，超越了現有技術的局限性。使用該策略，可以制造帶有精細光學和驅動性質的多材料LCE，在防偽以及驅動器等領域具有應用潛力，為先進的軟體機器人材料提供新的范式。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202507324