南京林大 NC | 力致变色响应,纤维素基液晶弹性体新成果
- 2026-06-10 20:20:57
南京林大 NC | 力致变色响应,纤维素基液晶弹性体新成果
液晶弹性体（LCEs）兼具液晶分子取向有序性与弹性体的可拉伸及耐久特性，对外部刺激表现出高度各向异性和动态响应能力，在软体机器人、自适应致动器、仿生人工肌肉和可调光子系统等领域具有广阔应用前景。 然而，传统LCEs的合成主要依赖石油化工来源的前驱体，这些物质有毒且难以在生态系统中降解，带来显著的环境风险。因此，开发可生物降解、生物来源的液晶弹性体，已成为兼顾高性能功能性与生态可持续性的关键研究方向。 【生物基科技】获悉，近日，南京林业大学郭家奇教授与东南大学褚光副教授合作，开发了一种基于纤维素的液晶弹性体材料。研究团队以羟丙基纤维素（HPC）为主要原料，引入丙烯酸（AA），并通过盐诱导的霍夫迈斯特效应调控分子间氢键网络，制备了具有动态手性向列有序结构的液晶弹性体。 该材料在机械应变下，内部右手螺旋结构发生解旋，产生肉眼可见的实时力致变色响应，从而直观显示局部应力变化。得益于纤维素的生物相容性与可降解性，该弹性体在土壤中30天内可完全降解。 
相关研究以“Cellulose-based liquid crystal elastomer with tunable mechanochromic Response”为题，发表在《Nature Communications》上。 01 制备与光学特性 研究团队成功制备了HPC-PAA复合材料，通过HPC与丙烯酸的自共组装及紫外光诱导聚合，固定了手性向列结构。调节丙烯酸含量（从10%到15%）可线性调控反射波长（从484纳米红移至816纳米），使材料颜色由蓝色连续变化至红色。圆二色光谱证实其具有右手螺旋结构，在右旋圆偏振光下呈现鲜艳结构色，左旋下则透明。扫描电镜显示清晰的周期性层状结构，层间距与反射波长成正比，确认了手性向列相的有序排列。 
图1 HPC-PAA复合材料的制备与光学性质。 a. HPC-PAA复合材料制备过程示意图。 b. HPC-PAA复合材料中丙烯酸浓度与其反射峰波长之间的线性相关性。c. 丙烯酸含量为12 wt.%的HPC-PAA复合材料的圆二色光谱。d. 14 wt.% HPC-PAA复合材料的截面扫描电镜图像（比例尺：500 nm）。 02 可拉伸性调控 通过霍夫迈斯特效应调控氢键网络，成功赋予了HPC-PAA复合材料可拉伸性。 原始材料因密集的氢键网络而呈固有非弹性，水处理改善有限。进一步筛选不同离子溶液发现：含Ca²⁺和Na⁺的氯盐可显著提升性能，其中NaCl处理使断裂应变达720%，CaCl₂处理使断裂应力达0.2 MPa；而硫酸钠处理的弹性体综合力学性能最优，断裂应力0.26 MPa、断裂应变590%。 机理分析表明，离子溶液破坏了原有氢键网络，并诱导其重组，促使中强度氢键向强氢键和弱氢键转化，同时暴露疏水基团促进宏观致密化，从而实现了高拉伸与良好强度的平衡。 
图2 PAA弹性体中氢键变化的探究。a. HPC-PAA弹性体在H₂O和离子溶液中相互作用潜在机制的示意图。 b. 在1 M Cl⁻溶液（含不同阳离子Ca²⁺、K⁺、Na⁺）中制备的弹性体的拉伸曲线（σ-ε）。 c. 在1 M Na⁺溶液（含不同阴离子Cl⁻、SO₄²⁻、CO₃²⁻）中制备的HPC-PAA弹性体的σ-ε曲线。 d. 突出显示在浓度范围为0至1 M的Na₂SO₄溶液中制备的HPC-PAA弹性体的氢键区域（3720-2980 cm⁻¹）的傅里叶变换红外光谱。 e, f. 由傅里叶变换红外光谱生成的同步（e）和异步（f）二维相关光谱分析。暖色（红色）代表正强度，冷色（蓝色）代表负强度。 g, h. 在水中（g）和在Na₂SO₄溶液中（h）制备的HPC-PAA弹性体的傅里叶变换红外光谱（3720-2980 cm⁻¹）上的氢键峰的分峰拟合。 i. 分别在水、NaCl、Na₂SO₄溶液中制备的HPC-PAA弹性体中，对应于不同比例强、中、弱氢键的傅里叶变换红外光谱峰面积比。 03 分子动力学模拟 分子动力学模拟揭示了离子调控的微观机制：硫酸根和钠离子作为强水合离子，能形成牢固水合层，减少自由水数量，从而削弱水对HPC-PAA氢键的破坏。 模拟显示，NaCl和Na₂SO₄体系中聚合物相互作用能（约-330和-307 kcal/mol）显著低于纯水体系（-270 kcal/mol），体系更稳定。Na₂SO₄体系中自由水占比仅25.3%（纯水为48.8%），自由水与水合水比例降至3.6（NaCl体系为8.4），意味着更少的水分子能干扰聚合物链间相互作用 
图3 HPC-PAA液晶弹性体的分子动力学模拟。 a, b. 在水中（a）和Na₂SO₄溶液中（b）制备的HPC-PAA弹性体的分子动力学模型快照。 c. 溶液浸泡过程中H₂O分子、离子与弹性体之间相互作用的示意图。 d. 通过分子动力学模拟得到的水、NaCl溶液、Na₂SO₄溶液中制备的HPC-PAA弹性体中HPC与PAA之间的相互作用能。 e. 通过分子动力学模拟得到的NaCl和Na₂SO₄溶液体系中HPC-PAA的自由水与水合水的比例。 04 力致变色特性 该材料展现出优异的力致变色特性。在拉伸或压缩变形下，内部螺旋螺距减小，反射波长向短波方向线性移动，颜色从红色连续变化至蓝色。定量分析表明，拉伸应力从0.08 MPa增至0.26 MPa时，伸长比从1线性增至6，反射波长从717 nm线性降至455 nm；压缩条件下亦有类似规律。 结构分析显示，长周期基本保持不变（约288–296 nm），表明周期性排列稳定，但小角X射线散射图样从圆形变为椭圆形，反映各向异性与分子链取向形成；广角X射线散射证实晶面间距增大、结晶度降低，取向参数从0.264%升至4.508%。 综上，该材料通过可逆螺距调控实现了应变-色彩的线性定量响应，为可视化传感提供了基础。 
图4 a. 拉伸诱导螺旋螺距变化的示意图。 b. 按压诱导的HPC-PAA弹性体结构色变化。随着弹性体受到的压力增加，颜色从红色逐渐过渡到蓝色（比例尺：5 mm）。 c. 拉伸诱导的HPC-PAA弹性体结构色变化。随着弹性体从100%逐渐伸长至600%，颜色从红色转变为蓝色。 d. 拉伸形变与反射峰波长之间的线性关系。 e. 压缩形变与反射峰波长之间的线性关系。 f. 不同拉伸状态（初始、200%、400%、600%应变）弹性体的积分小角X射线散射谱图。 g. 不同拉伸状态弹性体的积分广角X射线散射谱图。 h. 初始和600%拉伸状态弹性体的X射线散射图样。上行：小角X射线散射图样；下行：广角X射线散射图样。 05 自修复、生物相容性和可降解性 该弹性体在自修复、生物相容性和可降解性方面表现突出。经Na₂SO₄溶液处理60分钟后，切断面有效愈合，可恢复原始拉伸强度的65%并保持500%的应变；细胞实验显示其具有优异的生物相容性（细胞活力达91–94%）；置于户外土壤中30天后几乎完全降解。这些特性使其在绿色柔性电子、生物医学及瞬态器件等领域具有广阔应用前景。 
图5 HPC-PAA弹性体的自修复、生物相容性与可降解性。a. HPC-PAA弹性体及其在Na₂SO₄溶液中浸泡后的自修复能力示意图。光学显微镜图像显示切割后和自修复60分钟后的弹性体（比例尺：5 mm）。 b. 原始、切割后以及在1 M Na₂SO₄中浸泡30和60分钟后的自修复弹性体的拉伸σ-ε曲线。 c. 与HPC-PAA弹性体共培养后的活细胞激光共聚焦图像。从左至右：空白对照组、与HPC-PAA（NaCl）弹性体共培养的细胞、与HPC-PAA（Na₂SO₄）弹性体共培养的细胞（比例尺：200 μm）。 d. 与弹性体共培养的L929细胞活力。数据以均值 ± 标准差表示（n = 3）。 e. HPC-PAA弹性体（Na₂SO₄处理）在环境条件下于铁网上降解30天的时间演化照片（比例尺：10 mm）。 06 应用前景 该弹性体基于其力致变色性能，在人体运动监测与康复训练中展现出实用价值。贴附于手指关节时，弯曲角度从0°增至135°，材料颜色由红转绿再变蓝，反射波长从700 nm线性移至470 nm，实现了弯曲角度的可视化定量反馈。在儿童康复训练中，这种直观的颜色变化可简化训练过程，提高患者参与度。 材料在拉伸循环中颜色可完全可逆恢复，并进一步用于图案加密——拉伸时隐藏图案以高对比度显现，展示了在柔性传感及信息安全领域的应用潜力。 
图6 HPC-PAA弹性体在运动检测、训练辅助和图案加密中的应用。 a. 手指弯曲时HPC-PAA弹性体的照片，展示形变下的结构色变化（比例尺：500 μm）。 b. 用于儿童康复训练的可拉伸往复式弹性体示意图。弹性体拉伸至不同程度，呈现从红色到蓝色的颜色梯度，外力移除后恢复原始状态。 c. 记录手指关节运动的HPC-PAA弹性体反射光谱。插图显示手指不同弯曲状态的照片。 d. 弹性体拉伸过程中的反射光谱，显示结构色逐渐蓝移。 e. 外力逐渐移除过程中弹性体的反射光谱，结构色红移返回原始状态。 f. 在一个拉伸循环中，弹性体颜色完全可逆地返回原始状态（比例尺：20 mm）。 g. 图案加密：字母"A"和"C"以及弹性体上的图案在未拉伸时难以辨认，拉伸时随颜色从红变为蓝绿而清晰可见（比例尺：20 mm）。 06 总结与展望 本研究开发了一种以纤维素衍生物为主要原料（占比超过85%）的可持续液晶弹性体。含14%丙烯酸的复合材料呈现红色，螺旋螺距为440 ± 72 nm。经1 M硫酸钠溶液处理后，该弹性体的拉伸强度达0.26 MPa，断裂伸长率为590%。硫酸根与钠离子通过调控水分子渗透，削弱水与HPC-PAA网络之间的氢键，从而增强力学性能。外力、形变与反射波长之间呈现良好的线性关系，凸显了材料对机械刺激的敏感性。该弹性体还具备超过65%的自修复效率、高于90%的细胞活力，并能在30天内完全降解。 材料的力致变色特性使其在康复训练辅助、运动监测和图案加密等领域展现出广阔应用前景，为安全设备设计和运动指导提供了一个多功能平台。总体而言，HPC-PAA弹性体为可持续多功能材料的发展提供了极具潜力的平台，在兼顾高性能、多功能与智能响应的同时，为生态友好型材料的创制开辟了新路径。 原文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-026-72725-w 
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通讯作者
郭家奇
南京林业大学教授
主要研究方向:
1）天然高分子基多功能性仿生和结构材料；
2）先进生物基高分子功能材料；
3）生物质基弹性体、水凝胶；
4）天然高分子化学改性及其在能源器件方面应用研究
通讯作者
褚光
东南大学副教授
研究方向：胶体可控组装、仿生光学材料、光子染料
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