如同会魔法的变形精灵，高分子液晶能在光线下整齐排列、灵敏“起舞”，还能被精准操控，神奇“驭水”。架起材料微观结构与宏观性能之间的桥梁，复旦大学智能材料与未来能源创新学院的俞燕蕾教授率领项目团队历时数十年研究，从分子结构源头破局，实现从分子设计到器件构建的全方位创新，创制具有优异形变性能和强大致动能力的高分子液晶致动材料。这项研究成果重新定义了智能材料的未来图景，为软体机器人和智能医疗提供了创新方案，获得2024年度上海市自然科学奖一等奖。
灵敏、会动、有韧性的新材料
在自然界中，章鱼触手柔软如绸缎亦能瞬间收紧完成精准抓握，这样的致动能力也是科学家努力的方向——创制既有高分子材料的柔韧可塑性，又具有液晶分子对外界刺激的灵敏响应，创制能够响应外界刺激的智能软材料。俞燕蕾教授创新性地设计出基元有序排列的高分子液晶材料，突破了传统高分子液晶致动材料内部分子排列松散、需通过化学交联固定结构、无法兼容通用高分子加工方法的瓶颈。
新材料拥有堪比天然蜘蛛丝的力学性能，而且还可制成纤维、薄膜甚至复杂三维结构；遇光刺激时，分子整齐运动，能够带动整个材料收缩、弯曲。这项研究登上《自然》杂志，引发了全球科学家的广泛关注，其中包括诺贝尔奖得主本·J·费林加等众多国内外学者的借鉴引用。
但是传统材料内部网络结构复杂，外界刺激引起的微观变化无法有效传递，导致整体形变幅度有限。项目团队引入能量存储与释放机制，通过将材料预拉伸，可实现液晶结构的变化，使材料内部储存了大量能量。当光照触发结构转变时，存储的能量瞬间释放，产生高达81%的收缩形变，相当于将1米长的材料瞬间缩短至19厘米。研究人员还引入氢键，提高分子间的能量传递效率，提高了材料的灵敏度，实现“牵一发而动全身”的快速响应，以此构筑的仿生爬虫运动速度达到同类材料的5倍。
俞燕蕾教授与团队成员讨论实验结果
开启引领前沿研究热潮
传统高分子液晶致动材料受限于分子结构与制备方式，既不够强韧，也难以输出足够的驱动力，在构筑致动器件时往往力不从心。高分子液晶致动新材料分子的结构是可设计的，项目团队通过对分子结构和排列方式进行设计，将材料模量变化范围覆盖三个数量级跨度，使之能与塑料、橡胶等多种材料无缝结合，构建复杂三维器件，提升拓展性能和功能。
这一策略很快得到国际同行的借鉴和应用，由此开启了高分子液晶智能致动研究的新方向，推动了高分子液晶材料新体系的构建，目前该领域每年都有新的工作发表，引发了全球科学家对高分子三维致动器的研究热潮。
高分子液晶致动新材料的应用被寄予很高的期待。项目团队利用高分子液晶致动新材料构筑出具有光响应特性的三维微管致动器，首次实现了微量液体的全光控输运。这款能在微尺度驭“水”的神器利用微管光照形变产生的毛细作用力，使液体自发向管的细端移动，能对水溶液、乙醇、汽油等各种流体进行精确操控。这项技术具有非接触、无污染等特点，有望在生物医药设备、生化检测分析、微流反应器等诸多领域得到应用，被称为“具有真正开创意义的优秀成果”。
跟跑到领跑，两次登《自然》
高分子液晶致动材料的创制是新材料的高光领域，俞燕蕾教授团队代表中国基础研究的实力站在国际研究的前沿，实现了从跟跑到领跑的跨越。
在这场科研“攀峰”的过程中，俞燕蕾曾2次登上《自然》杂志，却有完全不同的心境。2003年，俞燕蕾以第一作者身份在《自然》上发表液晶材料的光致形变研究成果，那时她在日本公派留学，论文的署名单位为东京工业大学。这成为她心里的一个遗憾，也因此立志要在中国的科研土壤上培育出更好的创新成果。拿了博士学位后的第二个月，她毅然返回复旦大学，带领团队从零开始，以“敢闯无人区”的魄力深耕光响应液晶高分子领域。经过十余年技术攻关，她作为独立通讯作者、复旦大学作为唯一署名单位，再次登上《自然》。
如今，在不断增强自身团队学术创新力的同时，俞燕蕾教授也致力于提升中国科研的国际影响力，多次受邀在顶级国际学术会议和期刊上报告或撰写评述，推动了中国在该领域的学术话语权。
审稿：复旦大学智能材料与未来能源创新学院俞燕蕾教授
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