本研究由Tom Bruining、Daniela R. Tomé和Danqing Liu共同完成，其中Tom Bruining与Daniela R. Tomé为共同第一作者，Danqing Liu为通讯作者。研究团队来自荷兰埃因霍温科技大学（Eindhoven University of Technology）化学工程与化学系的人机交互材料课题组。该研究成果发表于Materials Horizons期刊，2026年第13卷，页码243至251，论文于2025年10月8日收稿，2025年10月23日接受，2025年10月28日在线发表，doi为10.1039/d5mh01907a。
本研究所属的学科领域是智能高分子材料与软物质科学，具体聚焦于液晶弹性体（liquid crystal elastomers, LCEs）的形状编程与可逆驱动行为。液晶弹性体是一类将自组织液晶基元嵌入弹性网络中的智能聚合物，在受到热、光等外界刺激时能够产生可逆的宏观形变，因此在软体机器人、触觉技术和光学器件等领域具有广泛应用前景。为了实现可逆驱动，液晶基元必须沿某一共同指向矢方向排列。传统上制备大尺寸独立驱动器的常用策略是多步交联法：第一步先形成随机取向的松散交联网络，随后通过机械变形诱导液晶基元取向，最后通过第二步交联将单畴结构永久固定。然而，文献中广泛应用的第一交联步骤通常依赖碱催化的硫醇-丙烯酸酯“点击”反应，这种碱催化体系一旦将催化剂引入反应混合物中便会立即开始交联，导致材料加工窗口极短，难以与需要长时间稳定的涂布、打印等工艺兼容。此外，若反应速率超过溶剂挥发速率，还可能导致溶剂滞留并引起薄膜缺陷。针对上述问题，本研究旨在开发一种基于两种波长选择性光聚合的正交交联策略，替代碱催化的第一交联步骤，从而显著提升液晶弹性体在加工过程中的时空可控性，并拓展其制造工艺的适用范围。
本研究提出的核心方法是两阶段波长选择性光聚合（two-stage wavelength-selective photopolymerization，TWSP）方法。该方法基于丙烯酸酯自由基光聚合和氧杂环丁烷阳离子开环光聚合的正交反应体系。具体而言，研究中使用了一种同时含丙烯酸酯和氧杂环丁烷官能团的双官能交联剂，并引入两种光引发剂：Irgacure 819和硫鎓盐（triarylsulfonium hexafluorophosphate salts，THPS）。这两种光引发剂的紫外-可见吸收光谱在365 nm以上区域没有重叠，因此可以通过蓝光（400–450 nm）选择性引发丙烯酸酯的自由基聚合，同时保留氧杂环丁烷基团未反应；随后再通过紫外光（320–400 nm）选择性地引发氧杂环丁烷的阳离子开环聚合。这一波长选择性使得两步交联反应在时间与空间上完全独立，有效避免了碱催化体系中催化剂一经加入即开始反应的不可控问题。
在材料制备流程中，研究者首先采用碱催化的硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成反应合成低聚物。反应单体包括两种反应性液晶基元C6M和C6BAPE，二者结构差异主要体现在苯环数量不同：C6M核心含有三个苯环，而C6BAPE仅含两个苯环，较少的苯环减弱了分子间π–π相互作用，从而降低了相转变温度。双丙烯酸酯液晶基元与二硫醇DODT以1 : 0.9的摩尔比反应，得到聚合度约为10的低聚物。随后将该低聚物与丙烯酸酯-氧杂环丁烷双官能交联剂以及两种光引发剂共同溶解于二氯甲烷中，涂布于玻璃基板上。溶剂挥发后，在60 °C下用蓝光照射5分钟进行第一交联步骤，此温度高于混合物的向列-各向同性转变温度（TNI），以增强分子链运动能力并促进丙烯酸酯的高转化率。材料冷却至TNI以下后，通过机械变形诱导液晶基元取向。第二交联步骤在0–10 °C下使用紫外光照射10分钟，引发氧杂环丁烷的阳离子开环聚合，将取向永久固定。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析证实，丙烯酸酯的特征峰在蓝光照射后几乎完全消失，而氧杂环丁烷的特征峰在蓝光照射后依然保留，在紫外光照射后则显著降低，说明两种聚合反应彼此独立发生。动力学FT-IR显示，丙烯酸酯在蓝光照射1分钟内即达到最大转化率，而氧杂环丁烷在紫外光照射约3分钟后达到约26%的最大转化率。氧杂环丁烷转化率较低的原因可能是第一步形成的网络限制了分子运动能力。动态热机械分析（DMA）表明，第二交联步骤后材料在橡胶态平台区的储能模量E′显著增加，说明交联密度得到了有效提升，进一步证实了第二交联反应的发生。
为评估材料的驱动性能，研究者在两步交联之间对松散交联薄膜进行单轴拉伸以诱导液晶基元沿拉伸方向排列，并在第二交联后获得了受热时沿拉伸方向收缩、垂直方向膨胀的驱动器。DMA控制力-温度斜坡测量结果显示，C6M基材料从约15 °C至90 °C范围内发生驱动，最大驱动应变达到28%，且在多次加热-冷却循环中未观察到驱动应变损失；C6BAPE基材料驱动温度较低，约在0 °C至30 °C之间，但最大驱动应变仅为14.5%。研究者进一步在25%至150%的固化应变范围内制备样品，系统考察了固化应变（εc）、驱动应变（εa）、归一化驱动应变（εn）、伸长固定率（fe）和收缩固定率（fc）等参数。结果表明，驱动应变随固化应变增加而增大，但归一化驱动应变和固定率在较低固化应变下更接近理想值，说明该体系更适合程序化低应变变形。宽角X射线散射（WAXS）测得的取向序参数S亦随固化应变增大而升高，从25%固化应变时的0.23增加至150%固化应变时的0.28，与驱动性能变化趋势一致。研究者还通过扭转、弯曲、在模具上拉伸等复杂变形方式展示了材料的三维形状编程能力，所制备样品在室温下保持程序化形状，加热后恢复为平整状态。此外，研究还尝试开发一种无需低聚化步骤的一锅法体系，即将纯反应性液晶基元C6M与链转移剂DODT直接混合进行第一交联反应。然而，该一锅法所得材料在拉伸时易脆断，不适合制备自由站立驱动器，但研究者通过压印方法在该材料中成功制备了具有动态表面形貌的涂层。干涉测量结果显示，一锅法样品在室温下具有约7 μm深的凹痕，加热至100 °C后凹痕几乎消失，其驱动幅度略大于低聚物法样品。该一锅法体系在多次加热-冷却循环中表现出良好的可重复性。
为展示第一交联步骤的光控时空选择性，研究者进行了两项加工方法验证。第一项是利用光掩模的简易光刻实验：在蓝光照射阶段将蝴蝶形光掩模直接置于涂层上方，高光强短时间照射（70 mW cm⁻²，4秒）后，被照射区域完成聚合，可从未反应混合物中剥离，获得具有清晰边缘的蝴蝶形松散交联薄膜；该薄膜随后经弯曲和紫外光固化，制成受热时拍动翅膀的可逆驱动器。未反应混合物经重新溶解和涂布后仍可重复使用。第二项是直接墨水书写（direct ink writing，DIW），即4D打印。由于TWSP体系中不存在活性催化剂，低聚物混合物在打印头储液器中可保持稳定，不会因提前胶凝而堵塞设备。研究者打印了矩形样品，并在第一交联步骤后分别进行无附加拉伸、沿打印方向拉伸140%以及垂直于打印方向拉伸三类处理。结果表明，仅由打印剪切流诱导的取向即可使样品产生13.7%的驱动应变，而附加拉伸后驱动应变提高至30.2%，相应的取向序参数也从0.23提升至0.28。
本研究的结论表明，基于波长选择性光聚合的两阶段交联方法能够有效制备形状可编程且可逆驱动的液晶弹性体。通过选用吸收光谱不重叠的两种光引发剂，实现了自由基聚合与阳离子开环聚合的完全分离，从而解决了传统碱催化体系加工窗口短、工艺兼容性差的问题。该方法在低固化应变条件下表现出最佳的形状编程效率，并可通过弯曲、扭转、模具拉伸等方式实现复杂三维变形。一锅法体系虽然不适用于自由站立驱动器，但在动态表面形貌涂层方面具有潜力。光掩模光刻和4D打印实验充分证明了该方法在增材制造和微细加工方面的加工优势。本研究的科学价值在于提出了一种全新的正交光聚合策略，为液晶弹性体的形状编程提供了更灵活、更可控的合成路线；其应用价值体现在该策略可兼容涂布、光刻、直写打印等多种制造工艺，有望促进软体机器人、人机交互材料及动态表面等领域的发展。研究亮点包括：首次将双波长选择性光聚合用于液晶弹性体的两步形状编程；第一交联步骤完全不依赖催化剂，显著延长了加工窗口；实现了基于光掩模的选择性固化与材料回收利用；以及在4D打印中实现了打印取向与附加机械编程取向的叠加。上述工作为制造结构更复杂、功能更丰富的形状编程驱动器开辟了新的可能。