由 Avijit Das, Joselle M. McCracken, Mohsin Hassan Saeed, Dhriti Nepal 以及 Timothy J. White* 共同完成的研究论文《Photodriven Aquatic Locomotion in Liquid Crystalline Elastomer Composites with Tunable Wettability》发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》期刊2025年第64卷上。通讯作者 Timothy J. White 来自美国科罗拉多大学博尔德分校化学与生物工程系，合作者 Dhriti Nepal 来自美国空军研究实验室。该研究报道了一种基于光驱动液晶弹性体（Liquid Crystalline Elastomer, LCE）复合材料的水生运动新策略，通过材料内部纳米复合与表面润湿性调控的协同作用，实现了在水面及水下两种不同环境中的可控推进。
此项研究隶属于智能材料与软体机器人交叉领域。液晶弹性体是一类将液晶的各向异性与聚合物网络的弹性相结合刺激响应材料，能够在热、光等外部刺激下产生可逆的大尺度形变，因此在软体机器人、生物医学设备等领域具有广阔前景。然而，传统LCE的光驱动能力通常有限，且其在水环境中的运动行为单一，难以适应复杂的水生环境。研究背景指出，将功能性纳米材料（如碳纳米管、石墨烯等）引入LCE基质是提升其性能的常见方法，但纳米材料在LCE中的均匀分散是一大挑战。另一方面，材料表面润湿性（超疏水或超亲水）工程已被证明能显著改变材料与水的相互作用，例如减少阻力或促进水吸附，但将其与LCE的光驱动特性相结合以实现多模态水生运动的研究尚不充分。因此，本研究的目的是解决这两个关键问题：一是通过有效的功能化策略实现高性能纳米材料（此处选用MXene）在LCE中的均匀分散以增强光热响应；二是通过表面涂层工程精确调控复合材料与水的界面相互作用，从而开创性地实现光驱动的水面行走与水下逆重力游动两种截然不同的运动模式。
研究的详细工作流程可以概括为三个核心阶段：材料合成与功能化、表面涂层制备与表征、以及光驱动水生运动演示。
第一阶段是核心材料的制备与表征。研究团队选择了具有优异光热性能的二维材料Ti3C2Tx MXene作为纳米填料。为了克服MXene纳米片在LCE基质中易团聚的难题，他们首先对MXene进行了硫醇（-SH）功能化修饰。具体步骤是：先通过MILD方法蚀刻Ti3AlC2 MAX相得到表面带有羟基（-OH）的MXene，然后利用(3-巯丙基)三甲氧基硅烷（MPTS）通过烷氧基硅烷化学将其功能化，得到硫醇功能化的MXene（MX-SH）。XPS和XRD表征证实了硫的成功引入以及MXene层状结构的保持。随后，将MX-SH纳米片通过光引发的硫醇-迈克尔加成反应，均一地共价结合到具有展曲（splay）排列结构的LCE网络中，制备出MX-SH0.5_LCE纳米复合材料（MXene含量0.5 wt%）。通过高分辨率TEM、偏光显微镜、热分析（DSC、TGA）等手段证实了MX-SH的均匀分散、LCE分子排列的保持以及复合材料的热稳定性。最关键的光热性能测试表明，在808 nm近红外（NIR）激光照射下，纯LCE几乎没有温升，而MX-SH0.5_LCE则表现出强烈的光热效应。在3.0 W cm⁻²的功率密度下，其温度在10秒内即超过向列相-各向同性相转变温度（Tni ≈ 140°C），并伴随高达175°的最大弯曲形变。热成像显示温度分布均匀，进一步佐证了MX-SH的分散均匀性。相比之下，使用未功能化MXene的复合材料则因团聚导致温度场不均、响应效率低下。此阶段结果表明，硫醇功能化是实现MXene均匀分散、从而最大化光热-力学能量转换效率的关键。
第二阶段是针对水环境交互的界面工程。研究团队在MX-SH0.5_LCE复合材料表面分别构建了超疏水（Superhydrophobic, SHB）和超亲水（Superhydrophilic, SHL）涂层。超疏水涂层是通过喷涂并光聚合十八烷基丙烯酸酯（ODAC）和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（3AC）的混合物制得，其水接触角高达152°，扫描电镜（SEM）显示其具有密集的颗粒状粗糙结构，符合Cassie-Baxter状态，有利于锁住空气层。超亲水涂层则由2-羟乙基丙烯酸酯（OHAC）和3AC制备，水接触角接近0°，表面形貌均匀的亲水区域促进水的快速铺展与吸附。接触角测试和SEM形貌分析明确证实了两种涂层达到了设计的极端润湿性。浮力测试直观展示了涂层的影响：SHB涂层的样品能稳定漂浮于水面，而未涂层的样品被水润湿下沉，SHL涂层的样品则因吸水而快速沉没。这一阶段成功地为同一光驱动复合材料“穿上”了决定其与水交互行为的“外衣”。
第三阶段是光驱动水生运动的概念验证。研究团队利用上述两类涂层复合材料，分别演示了水面和水下的运动。对于水面运动，他们将矩形SHB_MX-SH0.5_LCE薄膜置于气-水界面。当使用NIR激光照射薄膜中心时，材料发生快速、可逆的弯曲，像桨一样划水产生涟漪，从而获得向前的推力。运动方向始终朝向光源，激光关闭后运动因惯性逐渐停止。每次“划水”能推进约2.5 mm，平均游泳速度达到3.5 mm s⁻¹。超疏水涂层在此发挥了减少阻力、维持浮力的关键作用。对于水下运动，他们使用了SHL_MX-SH0.5_LCE薄膜。由于其亲水涂层吸水增重，样品沉于容器底部。在NIR激光照射下，薄膜迅速弯曲，产生向上的推力和浮力，使其从底部“跃起”。通过激光开关的循环控制，薄膜能够以“蹬地-恢复”的节律式运动克服重力向上游动。在3秒内通过三次划动实现了5 mm的总位移，平均速度为1.7 mm s⁻¹。实验还考察了涂层对性能的影响：超润湿涂层本身不吸收NIR，因此会略微降低复合材料的平衡温度和最大弯曲角度，尤其在水中由于散热更快，温升和形变角度进一步减小。但两种涂层样品在3.0 W cm⁻²、1 Hz的循环驱动下均表现出稳定的可逆驱动，无性能衰减。
该研究的主要结果与各步骤逻辑紧密关联。首先，材料合成与表征的结果（MXene均匀分散、优异光热响应）为后续的驱动提供了动力来源。其次，表面工程的结果（成功制备超疏水/亲水涂层、显著改变浮沉行为）决定了运动发生的介质环境（水面 vs. 水下）。最终，运动演示的结果（水面快速推进、水下逆重力上升）直接验证了“材料内在光驱动能力”与“表面界面特性”相结合的设计理念的成功。每个步骤的结果都是下一个步骤的基础，并共同支撑了最终结论：通过纳米复合增强光热驱动，并通过表面润湿性调控界面行为，可以实现单一材料系统在不同水环境中的多模态智能运动。
本研究得出结论：通过将硫醇功能化的MXene纳米片均匀分散于展曲排列的LCE中，并辅以超疏水或超亲水表面涂层，成功开发出一种具有可调润湿性的光驱动液晶弹性体复合材料。该系统集成了强劲且均匀的光热机械响应与可控的水界面相互作用，从而能够实现截然不同的水生运动模式：超疏水涂层使其能够像水黾一样在水面进行低阻力、高浮力的光驱动运动；超亲水涂层则使其能够沉入水中，利用光机械驱动对抗重力进行游动。这项工作展示了材料内部纳米复合与表面工程协同设计的强大能力。
本研究的科学价值在于提出并验证了一种全新的、用于设计水生软体机器人的材料策略。它将纳米复合材料的增强功能（光热驱动）与表面物理化学（润湿性）的调控有机结合，突破了传统刺激响应材料往往只能在单一介质中运作的限制，为在复杂多变的水环境中执行任务的智能软体机器人提供了新的材料平台和设计思路。其应用潜力广泛，包括环境监测、水下勘探、靶向药物输送以及微创手术器械等需要精细、无线操控的领域。
研究的亮点突出体现在以下几个方面：第一，方法新颖性：首创性地将MXene的硫醇功能化用于改善其在LCE中的分散性，并巧妙地将极端润湿性涂层与光驱动LCE结合，实现了运动模式的按需切换。第二，性能优越性：复合材料表现出快速（10秒内超越Tni）、大幅度（弯曲角175°）且完全可逆的光机械响应，运动速度可控。第三，设计巧妙性：利用同一种核心驱动材料（MX-SH0.5_LCE），仅通过改变表面涂层即可实现水面和水下两种完全不同的运动模态，简化了系统设计。第四，概念突破性：首次在同一材料系统中，通过表面工程实现了从“水面行走者”到“水下攀登者”的角色转换，极大地扩展了光驱动软体机器人的应用场景和适应性。这项研究为未来开发能够适应气-液-固多相界面复杂环境的下一代智能软体执行器开辟了新的道路。