唐本忠院士、李振教授AM：新型发光液晶弹性体材料问世|余辉|光致|唐本忠|弹性体|李振(五代)|磷光|聚合物

近年来，聚合物室温磷光材料因其独特的光学性能在光电系统、生物成像与化学传感等领域展现出广阔前景。然而，绝大多数聚合物基质为刚性材料，缺乏柔韧性，这严重制约了多功能室温磷光材料的发展。如何在维持材料弹性的同时，构建稳定的刚性微环境以抑制磷光淬灭，成为该领域面临的关键挑战。

近日，天津大学唐本忠院士、李振教授和杨琨博士合作成功制备出一种兼具室温磷光性能与温度响应弹性的新型液晶弹性体材料。该材料不仅能在室温下发出肉眼可见的长余辉，其断裂伸长率高达315%，还揭示了实现优异磷光性能的关键机制：生色团体积与聚合物网络之间的匹配作用。通过单轴取向编程，材料进一步表现出可逆形状驱动行为，成功应用于仿生液晶花与智能抓取器，拓展了室温磷光材料的应用边界。相关论文以“Shining Liquid Crystal Elastomer Material: The Balance of Micro-Rigidity and Macro-Elasticity and the Inherent Mechanism”为题，发表在

Advanced Materials

上。

研究人员首先设计并合成了具有光响应室温磷光性能的液晶弹性体LQ-4TPA。在365纳米紫外光照射下，材料可被“光激活”，显现出明亮的绿色磷光，余辉持续时间达3秒，磷光寿命达532毫秒。停止光照后，通过加热可使磷光消失，恢复至仅发蓝色荧光的状态，该过程可多次循环。实验表明，氧气在材料内部能快速扩散，是影响磷光表现的关键因素之一，这一特性也被用于实现光学信息写入与擦除。

示意图1 | 具有磷光与驱动双重功能的室温磷光液晶弹性体设计示意图。

图1 | LQ-4TPA的光响应室温磷光性能。（a）设计的具有可循环光激活特性的室温磷光液晶弹性体示意图。（b）LQ-4TPA在光激活前后的照片。（c）LQ-4TPA在365纳米紫外光照射10秒期间随时间变化的磷光光谱。（d）LQ-4TPA在365纳米紫外光照射10秒期间随时间变化的磷光衰减曲线。（e）LQ-4TPA光激活/加热过程的可重复循环（插图：每次光激活后533纳米处的最大发射强度）。

材料的物理性能测试显示，LQ-4TPA具有高达343℃的热稳定性，玻璃化转变温度仅为4.7℃，表明其在室温下处于高弹状态。应力-应变曲线证实其断裂伸长率超过300%，实现了磷光性能与力学弹性的良好兼顾。通过调节交联剂与柔性间隔基的比例，研究发现链段运动越剧烈，磷光强度越低，说明适度的微环境约束对磷光发射至关重要。

图2 | LQ-4TPA的物理性能与静水压测试。（a）LQ-4TPA的热重分析（TGA）与差示扫描量热（DSC）曲线。（b）LQ-4TPA的应力-应变曲线。（c）光激活后，在氮气气氛下LQ-4TPA-1-1、LQ-4TPA-1-2、LQ-4TPA-1-3和LQ-4TPA-1-4在533纳米处的相对磷光发射强度变化。（d）在金刚石压砧中静水压下，磷光体与液晶网络之间的变化关系（蓝色柱与黑线）及对应照片。（e）随着静水压增加，LQ-4TPA的归一化光致发光光谱变化。（f）光谱重点关注在1.1、3.5、6.5、8.4和12.8吉帕压力下的光致发光行为。（高压下发射峰形状与LQ-4TPA的室温磷光发射位置相似。）下方数据显示LQ-4TPA与4TPA粉末的光致发光峰位置随静水压增加的变化。

为探究磷光产生的机制，团队通过静水压实验对比了纯4TPA粉末与LQ-4TPA在不同压力下的发光行为。随着压力增加，纯4TPA的发射峰持续红移，而LQ-4TPA的发射峰在高压下保持稳定，表明液晶网络为生色团提供了支撑，抑制了过度堆积，有利于磷光的产生与维持。研究进一步引入不同体积的生色团（如3TPA、2TPA和TMB）进行对比，发现分子体积越大、与液晶网络相互作用越强，磷光性能越优异，其中4TPA因体积最大、构型扭曲，表现出最强的结合能与最优的磷光性能。

图3 | 不同生色团对液晶弹性体磷光性能的影响及相关理论分析。（a, b）LQ-3TPA在不同照射时间下随时间变化的磷光光谱及磷光衰减曲线。（c, d）LQ-2TPA的相应数据。（e）LQ-4TPA、LQ-3TPA与LQ-2TPA的磷光量子产率比较。（f）TMB、2TPA、3TPA与4TPA的自旋轨道耦合值模拟结果。（g）基于动态分析方法得到的LQ-TMB、LQ-2TPA、LQ-3TPA与LQ-4TPA结构模型的相互作用能分析。

为实现多色余辉，研究团队将荧光染料尼罗红引入体系，通过能量转移机制成功调控余辉颜色，从绿色渐变为黄色、橙色乃至红色，且各颜色材料均保留光响应特性。此外，通过拉伸与热致取向，研究人员制备出单畴液晶弹性体M-LQ-4TPA，该材料在温度变化下表现出可逆的驱动行为，形变率可达50%，且在整个过程中保持磷光性能，实现了形变与发光的同步可视化。

图4 | 颜色可调余辉的实现策略。（a）尼罗红稀溶液的归一化吸收、LQ-4TPA的磷光发射与LQ-NR的荧光发射光谱。（b）LQ-4TPA-x NR的归一化磷光发射光谱。（c）LQ-4TPA-x NR在533纳米处的磷光衰减曲线。（d）解释磷光能量转移过程的简化雅布隆斯基图（ISC = 系间窜越，ET = 能量转移）。（e）LQ-4TPA-x NR在365纳米光激活前后的多彩余辉行为。（x = 相对于4TPA的质量百分比：0.1%、1%、5%、10%、20%）

图5 | M-LQ-4TPA的制备与性能。（a）M-LQ-4TPA的制备与驱动过程示意图。（b）单畴M-LQ-4TPA在旋转45°、90°和135°前后的偏光显微镜图像（比例尺：200微米）。（c）M-LQ-4TPA的二维X射线衍射图。（d）M-LQ-4TPA在25°C与105°C之间的循环驱动性能。（e）加热/冷却过程中定制形状的驱动行为与磷光性能（比例尺：1.00厘米）。（f）M-LQ-4TPA中温度依赖驱动性能的机制。

基于上述特性，团队设计出仿生液晶花与智能液晶抓取器。液晶花可在高温下绽放、室温下闭合，循环稳定性良好；抓取器则能通过温度控制实现对棉线、泡沫等物体的抓取与释放，其磷光发射为操作过程提供了直观的光学反馈。这些应用展示了该材料在软体机器人、智能显示等领域的潜力。