兩種材料“聯姻”生出能變形變色、可自我修復“后代”

四芳基琥珀腈（TASN）具備力致變色性能，聚硅氧烷基液晶彈性體（LCE）是一種經典的可逆變形材料，將兩種材料結合，能產生類似于變色龍和壁虎“聯姻”后的效果，即獲得善于偽裝、能自我修復的功能材料。

作為偽裝大師，蝰蛇毛毛蟲可以變形成蝰蛇形狀嚇跑捕食者，變色龍可以根據環境變化調節自己的膚色……數百萬年的自然進化，賦予許多生物不同的求生技能。

生物的這種“主動避險”技能，也給了科研工作者研發新型仿生材料的靈感。近日，東南大學智能材料研究院院長、歐洲科學院院士、化學化工學院李全教授團隊利用四芳基琥珀腈（TASN）和聚硅氧烷基液晶彈性體（LCE），合成TASN-LCE材料。他們用這種材料構建的海星狀軟驅動器，不僅可以隨著溫度變化而變形、響應熱量變化和機械壓縮變換顏色，還能自愈合、再加工。相關成果近期在線發表于化學領域國際頂級期刊《德國應用化學》。

從生物的生存技能中獲取靈感

在自然界，偽裝是一種非常重要的生存策略。而另一種生存技能——“斷臂求生”則是通過犧牲部分肢體或器官以逃脫捕捉。一些海洋生物，如海星、章魚和墨魚等，幸運地具備了上述兩種自我保護能力。

受這些生物的啟發，近年來，科學家們開發了多種仿生智能軟驅動器，如人工章魚、人造花卉和變色龍仿生器件等。

“但是，多數仿生軟驅動器只能執行一種或兩種功能模式，而將可逆形變、連續運動、顏色偽裝、自修復和可重塑等多種功能集成到單一的軟驅動器系統中仍是極具挑戰性的難題。”論文通訊作者之一、東南大學教授楊洪介紹，針對此難題，團隊將一種特殊的材料——TASN中具有力致變色功能的基團鍵合到LCE中，構建了一種集多種功能于一體的TASN-LCE材料。

“TASN具備力致變色性能，給它施加一個力或升高溫度，它就會變成紅色；溫度降低，它的顏色又會逐漸變淡。而LCE是一種經典的可逆變形材料，它很有彈性，在外界刺激下，例如在紅外光的刺激下會運動、變形。”楊洪說。

材料“聯姻”后具有偽裝、自愈功能

更有意思的是，TASN和LCE兩種材料的結合，能產生類似于變色龍和壁虎“聯姻”后的效果。

“TASN與LCE組合成一個聚合物網絡后，聚合物鏈上會有TASN基團。當溫度升高到一定程度時，TASN基團會斷裂、變紅，產生自由基，形成單個的聚合物分子鏈。而當溫度降低時，含TASN的聚合物分子鏈又會再次結合在一起。但重新連接時，自由基可以選擇其他的鏈段，這就相當于TASN以一種內部再造的方式讓聚合物材料重新愈合了。”楊洪解釋，這種材料變化過程，可以使材料重復使用和再次加工成型，延長了材料的使用壽命，并能滿足實際應用中對材料多功能特性的要求。

在楊洪展示的一個實驗片段中，記者看到，一個用TASN-LCE材料制成的、具有Q彈功能的海星形狀的軟驅動器，在受熱后逐漸變紅，在近紅外光的照射下又慢慢向上翹曲、收縮。但當回到常溫、消除照射后，“海星”又恢復如初。

如果將TASN-LCE材料制成的軟驅動器切割后重新拼接，經過一定時間和溫度的修復，被切割的兩段材料又會再度合二為一。“雖然宏觀上看，材料又再次成型，但其實內部微觀結構已經發生了變化。”楊洪說。

“這種新材料有望應用于多功能仿生軟體機器人、視覺傳感器和人工偽裝等領域。”楊洪表示，在一些機械裝置難以企及的區域，就可以讓能變形的、可自愈合的軟體機器人過去探測，繼而進行遠程智能作業。

不過，楊洪坦言，新材料想完成產業化，還需要一個漫長的過程，首先要解決的就是新材料的制作成本問題。

“合成TASN—LCE材料，過程很復雜，而且合成過程使用的化學試劑很昂貴，有的還有劇毒。”楊洪表示，想成為工業原料，這款材料還要進行抗疲勞性等力學性能測試，這些都需要進一步展開系統研究。