形變聚合物材料可將聚合物對于外界的刺激（熱、光、pH和化學變化等）轉換為動態形狀的改變。通過玻璃化轉變、相變、液晶轉變、動態共價化學和非共價相互作用等多種形變機制將所施加的刺激轉變為相應的形狀變化。利用這些形變，該類材料可以應用于生物醫學、四維打印、機器人、光學元件和人造肌肉等方面。

雖然液晶彈性體和液晶網絡的刺激響應時間較長，但是其微觀分子排列可以直接轉化為宏觀形變，使得它們成為當下有望實現完全可逆變形的材料。為了探究液晶彈性體更為復雜和可控的形狀變化，美國科羅拉多大學材料科學與工程系的Christopher N. Bowman教授課題組開發了一種光聚合液晶彈性體，可以利用光引發動態化學鍵重組來調整液晶分子的取向。

研究者利用烯丙基二硫醇、略微過量的介晶二丙烯酸酯（RM82）以及新戊二醇二丙烯酸酯（NPGDA）反應，得到含有加成-斷裂鏈轉移（AFT）能力的丙烯酸酯封端低聚物，再經光聚合成可動態化學鍵交換的液晶聚合物網絡。其中NPGDA單體的加入實現了無定形區含量的調控，調整聚合物清亮點為80℃。

該研究工作的獨特之處在于，通過控制光處理的時間將AFT交換過程與熱致液晶行為分開。研究者利用動態機械性能分析、應力-應變分析、偏光顯微鏡以及原子力顯微鏡輔助的納米壓印技術探究了其形變過程。發現光引發的AFT反應實現了，在給定溫度和機械應變下的多次編程和擦除的過程，并通過偏光FT-IR觀察了這些過程中液晶分子的排列。例如，將該聚合物薄膜手動折疊并用320至500nm（100mW/ cm²）光照射，加熱時折疊將打開形成平面狀態，并在冷卻回室溫后恢復為折疊狀態。然而，在沒有光照的情況下，折疊在恢復扁平面形狀并冷卻后依舊停留在平面狀態。因此，光反應和相變過程共同決定著聚合物的宏觀相變。在此之外，研究者還將預處理的材料折疊成盒子狀，高溫下盒子狀材料舒展成平面，冷卻后重新恢復其早期預處理的天鵝形態。

圖文速遞

圖1 可光聚合的AFT-液晶彈性體的編程和擦除過程示意圖。

（A）硫醇-邁克爾加成反應方案，將RAFT官能團引入可光聚合的丙烯酸低聚物中；（B）在特定光照下（hv，30mW / cm 2,320至500nm）的機械拉伸和熱擦除過程，極坐標圖表示在各種光偏振角下在對應于3350至3300的芳香區碳氫偏振傅立葉變換紅外光譜（FTIR）峰面積；（C）250mm的聚合物薄膜編程實例。

圖2 在各種條件下編程的液晶狀態和各向同性狀態樣品的應變。

（A）在25℃、67°C和120℃下，采用320至500 nm，30 mW / cm2的光處理樣品，液晶狀態下的應變與光照時間的關系；（B）在25℃、67℃和120℃下，采用320至500 nm，30 mW / cm2的光處理樣品后，在120℃下測得的各向同性狀態的應變與光照時間的關系；（C）在室溫下采用320至500 nm，30 mW / cm2的光處理樣品后液晶狀態和各向同性狀態的應變與光照處理時施加應變的關系；（D）低溫處理和高溫處理，不同聚集態樣品的相變、形變示意圖。

圖3 AFT-結晶彈性體中的可控形狀變化。

（A）在室溫下（365nm，50mW / cm 2; 20％應變）的各種照射時間之后的彎曲角度；（B）相同光照下，樣品的低溫拉伸和高溫恢復過程圖片；（C）相同編程處理后，室溫的聚合物盒子在高溫下展開并在冷卻后自動折疊成天鵝狀。

圖4 通過納米壓印技術編程的熱可逆形狀變化。

（A）在35和99℃下進行衍射的原子力顯微鏡（AFM）圖像（衍射光柵在55℃，3 MPa和300至400 nm，20 mW / cm2光下處理1分鐘）；（B）在99℃下的衍射光柵處理后，35℃和99℃的AFM圖像；（C）衍射效率與溫度的關系曲線。

原文鏈接：

http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat4634

來源：高分子科學前沿