近年来,功能集成型材料在自适应光学、致动、传感器和智能设备等领域受到广泛关注。作为一类新型的智能材料,液晶弹性体(Liquid Crystal Elastomer, LCE)结合了液晶的自组装特性和响应性与聚合物橡胶的熵弹性。其中,具有光子性能的LCE材料更是表现出可调谐和灵活的光学行为,为从软致动器、信息存储介质到光学传感器的应用提供了性的途径。然而,传统方法往往伴随着复杂的结构设计和制备工艺。此外,光子性质与力学性能的平衡与融合尚未得到探索,仍是一项挑战。
研究人员选择丁二胺作为扩链剂,对苯二甲醛作为亚胺供体,成功制备了BT-CL-LCE。可以发现,BT-CL-LCE表现出了明显的激发波长依赖性,表明多个发射中心共存。通过多重峰分析以及逐级对比实验,准确地分辨了-NH-和-C=N-对发光的贡献。在此基础上,通过改变这两种基团的相对含量,成功实现了同一激发波长下的发光红移。理论计算结果表明,扩链的发生使得LCE呈现出一种更为蜷曲的构象,增大了基团之间的聚集机会。形成了有效的空间共轭,同时能隙的降低进一步促进了CL的产生(图 2)。
流变实验证明了交联网络的动态特性,频率较高时(温度低),此时LCE处于粘流态,快速的弛豫(G′<G′′)导致储能的耗散。随着频率的降低(或温度的升高),观察到一个橡胶状的平台。然而,随着温度的进一步升高,G′和G′′均呈逐渐下降的趋势,其中G′仍高于G′′。这可归因于高温下动态亚胺交换反应的激活,从而大大增强了网络动力学并导致非末端弛豫过程。另外在这项工作中,亚胺键是通过扩链后的醛胺缩合反应引入的,处在介晶核之外。因此,不仅降低了动态交换反应的激活温度,而且在这一过程中介晶的结构不会受到破坏,这大大提高了材料力学性能的稳定性。结合其动态可调簇发光的特性,成功实现了自愈合的可视化以及多色光学模块的组装(图 3)。
到目前为止,报道的CL材料主要是天然聚合物水凝胶、粉末和晶体。结构柔性的丧失对这些材料的进一步实际应用造成了障碍。因此,基于软LCE的簇发光材料可以适应各种形状,使其适用于柔性和可变形器件。此外,其多功能性也扩展了它们在信息存储与防伪、智能机器人和自愈合荧光纤维等不同领域的应用,有望替代传统的荧光分子材料(图 4)。
论文第一作者为北京化工大学材料科学与工程学院博士生樊庆岩,通讯作者为北京化工大学材料科学与工程学院碳纤维及功能高分子教育部重点实验室郭金宝教授。论文工作得到国家自然科学基金项目(52073017、51773009)的支持。
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