液晶弹性体因其能将热、光等外部刺激直接转化为可逆的宏观形变，在软体机器人、人工肌肉和可穿戴设备等领域展现出巨大潜力。然而，动态液晶弹性体往往难以兼顾高韧性、低模量与高做功能力，这一“不可能三角”严重限制了其实际应用。

  2025年10月2日，清华大学吉岩副教授和北理工仵雅禾助理教授受贻贝足丝中儿茶酚-金属配位键的启发，设计了一种兼具共价交联与配位键的大分子交联剂，成功制备出一类高韧性、低模量、高做功能力且可重构的液晶弹性体，突破了上述性能瓶颈。该研究成果以“Leveraging catechol chemistry to tackle toughness-softness-work capacity tradeoff in reprogrammable liquid crystal actuators”为题，于2025年10月2日发表在《Nature Communications》上。文章第一作者为清华大学博士生何恩健，吉岩副教授和仵雅禾助理教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

  该工作通过将硅基保护的儿茶酚配位单元接枝至含硫基的聚硅氧烷链上，构建了大分子交联剂，进而通过巯基-丙烯酸酯迈克尔加成反应构建液晶弹性体网络。随后通过酸处理去除保护基，暴露儿茶酚单元，并与铁离子等金属离子配位，形成动态配位键，制备一系列目标动态液晶弹性体。

图1：设计思路与材料合成路线

  利用铁-儿茶酚键的热可逆性，通过加热或激光照射使材料内部的网络结构得以重组，从而实现驱动模式的多次编程。优化后的材料（CAT4-Fe）能稳定输出416 kJ/m3的高工作容量，可举起10000倍于自身重量的负载，展现了其作为软体机器人“肌肉”的强大性能与可靠性。

图2：材料的再编程性与做功能力

  优化后的材料（CAT4-Fe）在室温下韧性高达28.5 MJ/m3，杨氏模量仅为3.1 MPa，做功能力达到416 kJ/m3。即使在120℃高温下（高于相变温度55℃），其韧性仍保持5.5 MJ/m3，展现出优异的热稳定性。通过调节配位键含量，材料韧性可进一步提升至67.0 MJ/m3，而模量仍低于5 MPa。

图3：力学性能的突破性提升

  更值得一提的是，通过引入不同金属离子（如Fe3?、Ni2?、Cu2?等），可实现材料性能的“干细胞式分化”，从同一基材衍生出多种性能各异的变体，并可在单一薄膜中实现空间异质集成，为构建多功能集成软体驱动器奠定了基础。

图4：“干细胞式”性能分化与空间集成

  论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63836-x