来源：高分子科学前沿
Joanna Aizenberg是一位享誉国际的女性科学家，以其卓越的研究成果和跨学科创新能力赢得了全球的尊重和赞誉。作为一名顶级材料学家和四院院士，她的工作在多个领域产生了深远影响。Aizenberg专注于生物矿化、仿生学、自组装、晶体工程、表面化学、纳米制造和生物材料等领域。她通过深入研究自然界中的生物矿化过程，揭示了生物体如何通过微生物和细胞机制创造复杂无机结构的奥秘。同时，她在仿生学领域的开创性研究，成功设计出模仿自然界功能的智能材料，如超疏水表面和抗污材料，为未来新材料的开发提供了重要启示。她的工作将科学与自然巧妙结合，为解决能源、环境和医疗等领域的挑战开辟了新路径。
近日，Joanna Aizenberg团队的研究成果登上《Science》，下面，就让小编带大家一起拜读一下大佬的杰作。
小分子液晶（LC）是一类能够自组装形成有序结构的化合物，其特性由分子形状、相互作用和拓扑结构决定（图1A）。例如，杆状液晶可以形成向列（N）相或层状的SmA相，广泛应用于显示器、药物输送和生物传感器等领域。液晶弹性体（LCE）将LC的自组装与交联聚合物网络的弹性结合，能够将分子级别的相变转化为宏观变形，已用于开发软体机器人、人工肌肉等（图1B）。目前，传统LCE因分子排列受限，通常只能实现单一的中间相和单步变形，这限制了其多模态应用。
在此，哈佛大学Joanna Aizenberg院士联合俄亥俄州立大学Xiaoguang Wang教授和格罗宁根大学的Michael M. Lerch教授共同利用介晶自组装、聚合物链弹性和聚合诱导应力的组合来设计具有两种中间相的液晶弹性体：V 形近晶 C (cSmC) 和近晶 A (SmA)。诱导cSmC-SmA-各向同性相变导致微观结构中应变场异常反转，从而产生相反的变形模式（例如，连续收缩或膨胀以及相反方向的右手或左手扭曲和倾斜）高频非单调振荡。这种双向运动是可扩展的，可用于生成宏观尺度的高斯变换。相关成果以“Programming liquid crystal elastomers for multistep ambidirectional deformability”为题发表在《Science》上，第一作者为姚昱星（已加入香港科技大学），Atalaya Milan Wilborn为共同一作。
Joanna Aizenberg院士、Xiaoguang Wang教授、Michael M. Lerch教授和姚昱星
1、介晶-聚合物相互作用对端接液晶聚合物相行为的影响
通过设计预对齐液晶单体的端接液晶弹性体，研究实现了多步相变和复杂相行为（图1C）。分子动力学（MD）模拟显示，液晶单体在加热至180°C时处于无序的各向同性（Iso）相，冷却至50°C时形成向列（N）相，进一步聚合后出现两种层状中间相：SmA和倾斜的SmC相（图1D）。实验验证与模拟结果一致，通过WAXS/SAXS测量，观察到液晶单体从Iso相（150°C）逐渐转变为SmA相（100°C），再到SmC相（30°C），其中SmC相的倾斜角为35°（图1E）。偏振光显微镜成像进一步确认了这些相变过程。此外，无论是否使用交联剂，均能观察到这些相变，表明相变本质上编码在端接式LCE的化学结构中（图1F）。差示扫描量热（DSC）分析显示单体经历一次相变，而弹性体则表现出两个相变。这些结果表明，通过端接液晶设计，可以实现多模态相变，为复杂功能材料的开发提供了新思路。
图 1.端接 LCE 的多相行为
2、介晶间相互作用和聚合物网络约束对端上液晶聚合物相行为的影响
研究发现，端接液晶弹性体的分子结构对其相行为有显著影响（图1E）。作者研究了间歇性相互作用如何影响相变过程。结果显示，具有较长尾部的单体形成了cSmC和SmA相，而尾部较短（m=0）的单体由于间歇相互作用不足，仅表现出N相（图2A, B）。
进一步增加聚合物网络的交联密度也抑制了中间相的形成。当HDDA浓度低于15%时，观察到cSmC和SmA相；但浓度增加到17.5%时，cSmC相被抑制，仅保留SmA相；当浓度进一步增加至20%时，完全阻止了中间相的形成（图2C, D）。此外，通过调整非介生交联剂的长度，可以控制V形堆积的倾斜角，其中较长的交联剂会降低倾斜角γ（图2E）。这一端接LCE系统还支持掺入功能分子，如偶氮苯衍生交联剂，同时保留cSmC-SmA-Iso相行为，且相转变温度最低可降至55°C。这些结果表明，通过分子结构和聚合物网络的优化，可以精确调控LCE的多相行为，为多功能材料设计提供了新思路。
图 2.中间和聚合物结构对端接 LCE 相行为的影响
3、端接式 LCE 中的双向机械变形
为了测试cSmC-SmA-Iso相变过程中的分子重构如何产生力学响应，作者通过在磁场中定向单体并聚合，制备了具有编程对准方向的LCE微孔板。这一材料在两次连续相变中表现出独特的双向变形模式（图3A）。当从室温加热到100°C时，结构沿导向轴收缩8%；继续加热到150°C时，沿同一轴膨胀20%，超出了参考状态（图3B）。此外，通过将LCE磁对准于微孔板主轴，还能实现其他类型的变形：例如，cSmC-SmA相变引起的单轴收缩和双轴膨胀在平行于导向器的平面中产生剪切。当平面对齐微孔板侧壁时，结构在加热时先向左倾斜12°，再向右倾斜20°（图3C, D）。而当顶面发生剪切但底面因粘附固定时，则导致连续的右旋和左旋扭曲（图3E）。这种双向变形在2000次循环中保持可逆性。
图 3.端接式 LCE 的温度响应双向变形
4、可调的张力和端接 LCE 形状变化的频率
通过调整工作温度范围，作者实现了LCE微孔板多种变形响应模式的调控（图4A-C）。以表现平面外倾斜的微孔板为例，其倾斜角度随温度变化呈现三种模式：单调减少（70°C至110°C倾斜角逐渐减小，向左倾斜）、单调增加（110°C至150°C倾斜角逐渐增大，向右倾斜）、以及非单调变化（70°C到150°C先向左倾斜再向右倾斜）（图4A-C，虚线）。这种基于接触加热的双向变形可进一步优化，用于软机器人远程驱动。通过在端接式LCE微结构表面涂覆碳纳米管，并利用脉冲红外激光调节温度，作者实现了光热驱动的精准控制。通过调整红外激光的强度和频率，可将驱动频率从约0.01 Hz（接触加热）提升至约1 Hz（红外激光），并可编程设置所需的振荡序列（图4D）。这一成果为LCE在软机器人中的应用提供了灵活高效的解决方案。
图 4.刺激反应张力和端接 LCE 振荡的频率
5、宏观端接 LCE 圆盘的相位相关高斯曲率
研究表明，这些三相端接式LCE能够在连续相变期间改变应变场方向，具有潜力应用于大规模的人工系统，通过与编程对准相结合，实现复杂的宏观机械驱动，例如高斯曲率（K）的反转。面内径向应变场已被广泛用于诱导面外变形，例如根据应变方向，平坦圆盘（K=0）可变形为马鞍形（K<0）或圆顶形（K>0）。作者利用磁场开发了一种方法，在大面积LCE片材中编码径向导向场（图5A）。有限元分析和实验结果均显示，当经历cSmC-SmA转变时，径向收缩和圆周膨胀导致负高斯曲率（马鞍形），而SmA-Iso转变期间的径向膨胀和圆周收缩则产生正高斯曲率（圆顶形）（图5B-D）。进一步验证表明，这些形状是温度控制下的热力学稳定状态，而非缺陷或残余应力引起的不均匀应变。此外，作者还展示了通过溶剂诱导的溶胀（如在丙酮浓度增加的水溶液中）也可实现类似的双向高斯形状变形。这一发现为LCE在复杂机械驱动中的应用提供了新方向。
图 5.具有高斯曲率回归的宏观 LCE 盘
这项研究展示了三相端接式液晶弹性体的多步双向变形能力及其在软机器人领域的潜力。通过分子设计，结合聚合应力和分子间相互作用，实现了从cSmC到SmA再到Iso相的连续相变，每一阶段均带来独特的变形模式，如顺序收缩-膨胀、双向倾斜和扭曲。利用磁对准技术，可在LCE片材中编码径向导向场，实现动态高斯曲率切换，使圆盘形LCE在加热时从平坦转变为马鞍形，再转为圆顶形。此外，这些LCE可通过溶剂诱导的溶胀或光响应交联剂进行光驱动，扩展其应用范围。研究还发现，这些LCE能够模拟自然界的自我调节行为，例如仿生气孔细胞对温度变化的动态响应，仅凭单一材料即可实现稳态行为，无需复杂温控系统。这些LCE还具有显著的机械性能，能够举起比自身重量大450倍的物体，展现出作为人工肌肉的潜力。这一系列LCE通过结合动态共价键、光热效应及手动导向模式等技术，为智能化、多功能软体材料的开发提供了重要启发。
