近期，芬蘭坦佩雷大學(xué)郭洪爽博士在形狀記憶與光響應(yīng)驅(qū)動材料領(lǐng)域取得新進展，提出了一種基于硫?qū)冁I（Chalcogen Bonding, ChB）的超分子交聯(lián)策略，用于構(gòu)建可形變液晶彈性體（LCE）材料體系。研究中，團隊采用Aza–Michael加成反應(yīng)將液晶基元RM82、半胱胺（Cyst）與N,N-二甲氨基丙胺（Dma）聚合，同時引入含硒或含硫的ChB供體，實現(xiàn)了LCE主鏈結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑（圖1-3）。其中，Dma末端的-N(CH3)2基團作為ChB受體，能夠與Se或S原子形成方向性Se/S···N硫?qū)冁I，從而誘導(dǎo)高效交聯(lián)。
圖1. 氫鍵，鹵鍵與硫鍵。
通過固態(tài)核磁共振（SSNMR）、拉曼光譜和密度泛函理論（DFT）計算，研究者系統(tǒng)分析了ChB在聚合物中的形成機制及其對分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與能量分布的影響。進一步的力學(xué)測試表明，這些ChB-LCE材料不僅具備良好的形狀記憶與可逆變形能力，還展現(xiàn)出優(yōu)異的光熱響應(yīng)性能和較強的機械穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)以氫鍵或共價交聯(lián)為主的LCE體系，硫?qū)冁I因其獨特的雙σ-孔結(jié)構(gòu)與空間構(gòu)型調(diào)控能力，在動態(tài)高分子網(wǎng)絡(luò)中提供了新的設(shè)計自由度，為推動智能軟體機器人材料的可編程與可持續(xù)發(fā)展提供了全新思路。相關(guān)成果以“Supramolecular Chalcogen-Bonded Shape Memory Actuators”為題，發(fā)表在國際知名期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》上。郭洪爽博士為第一作者，郭洪爽博士和于韋斯屈萊大學(xué)的Rakesh Puttreddy博士為共同通訊作者。
圖2. 硫?qū)冁ILCE的化學(xué)成分與表征。
圖3. 形狀記憶性能和可逆致動性能。
該工作首次系統(tǒng)驗證了硫?qū)冁I作為構(gòu)建具有可編程形變與驅(qū)動能力LCE的一種簡便而高效的策略。盡管所制備的LCE體系中同時存在大量弱C–H···H–C氫鍵（單個能量約為4 kJ/mol）及共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，總能量遠高于單一的Se···N硫?qū)冁I，但正是這一特定非共價相互作用賦予了材料獨特的形變響應(yīng)功能。相比之下，較弱的S···N作用無法激發(fā)同樣的功能響應(yīng)，進一步強調(diào)了硫?qū)冁I在調(diào)控宏觀材料性能中的關(guān)鍵地位。值得一提的是，在LCE這一納米尺度結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子構(gòu)型難以精準調(diào)控的體系中，Se···N硫?qū)冁I實現(xiàn)了明確的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)聯(lián)，具有重要科學(xué)意義。此外，該體系具備高度模塊化特性，僅通過更換不同的ChB供體分子即可拓展材料的記憶形變或致動功能，避免了繁瑣的系統(tǒng)重構(gòu)，為多功能材料設(shè)計提供了極大便利。未來，通過引入更強的Se···N或Te···N作用，或?qū)⒍邊f(xié)同融合，該系統(tǒng)有望在蒸汽響應(yīng)機器人、人造肌肉、高靈敏傳感器等先進智能器件中展現(xiàn)廣闊應(yīng)用潛力。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202508101
