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光一照，材料就 “跳舞”，復旦俞燕蕾團隊開啟智能材料新次元？

文章來源：賢集網更新時間：2025-09-04 15:05:05

近日，復旦大學智能材料與未來能源創(chuàng)新學院的俞燕蕾教授率領項目團隊憑借創(chuàng)制具有優(yōu)異形變性能和強大致動能力的高分子液晶致動材料，獲得2024年度上海市自然科學獎一等獎。這一成果如同璀璨的明星，在材料科學領域閃耀著光芒，不僅重新定義了智能材料的未來圖景，還為軟體機器人和智能醫(yī)療提供了創(chuàng)新方案。

一、高分子液晶：神奇的材料特性與早期分類

液晶高分子材料是一種在特定條件下能以液晶相態(tài)存在的高分子材料，它巧妙地結合了液晶和高分子的特性，具有獨特的分子取向序和位置序。這種材料就像是一個擁有多種超能力的“精靈”，不僅具有高強度和高模量，還具備耐輻射、耐氣候老化、阻燃和耐化學腐蝕性等優(yōu)異性能。

也正是因為這些出色的特性，液晶高分子被廣泛應用于眾多高端領域，如防彈衣、航天飛機、宇宙飛船等，為保障安全和探索宇宙貢獻著力量。同時，它也廣泛用于微波爐具、纖維光纜的被覆、儀器、儀表、汽車及機械行業(yè)設備及化工裝置等日常和工業(yè)場景中。此外，由于其光、電、磁及分離等功能特性，液晶高分子還可用于光電顯示、記錄、存儲和分離材料等。

液晶高分子的分類方式多種多樣。主要依據液晶基元在高分子鏈中的位置，可以分為主鏈型、側鏈型和復合型。主鏈型液晶高分子的液晶基元位于大分子主鏈，側鏈型液晶高分子的液晶基元位于高分子側鏈，而復合型液晶高分子則在主鏈和側鏈中都含有液晶基元。另外，液晶高分子的合成主要是通過小分子液晶化合物的共聚、均聚或接枝反應來實現(xiàn)。

液晶態(tài)是一種特殊的物質狀態(tài)，它兼有晶體和液體部分性質，具有液體的流動性和連續(xù)性，又有晶體的各向異性。液晶態(tài)與晶態(tài)的區(qū)別在于它部分缺乏或全沒有平移序，而與液態(tài)的區(qū)別則在于它仍存在一定的取向有序性。

液晶高分子材料已經超越了高分子材料科學、化學科學和材料科學的領域，涉及了物理學、生命科學和信息科學等多學科領域，是一個十分活躍的研究領域和前沿學科，對科學技術的發(fā)展，以及對工業(yè)、國防和人民生活顯現(xiàn)出日益重要的作用。

而且，液晶高分子還可以根據液晶的生成條件分為溶致液晶、熱致液晶、兼具溶致與熱致液晶、壓致液晶和流致液晶。溶致液晶是由溶劑破壞固態(tài)結晶晶格而形成的液晶，熱致液晶是由加熱破壞固態(tài)結晶晶格、但保留一定取向有序性而形成的液晶。兼具溶致與熱致液晶既能在溶劑作用下形成液晶相，又能在無溶劑存在下僅在一定的溫度范圍內顯示液晶相的聚合物。

壓致液晶是指壓力升高到某一值后才能形成液晶態(tài)的某些聚合物，而流致液晶是指流動場作用于聚合物溶液所形成的液晶。此外，它還可以根據高分子鏈形狀、高分子的來源以及主鏈上是否含有芳香環(huán)來分類，這些分類方法有助于我們更好地理解和研究液晶高分子材料的特性和應用。

二、俞燕蕾團隊的突破：從分子設計到器件構建的全方位創(chuàng)新

在自然界中，章魚觸手柔軟如綢緞亦能瞬間收緊完成精準抓握，這樣的致動能力也是科學家努力的方向——創(chuàng)制既有高分子材料的柔韌可塑性，又具有液晶分子對外界刺激的靈敏響應，創(chuàng)制能夠響應外界刺激的智能軟材料。

俞燕蕾教授創(chuàng)新性地設計出基元有序排列的高分子液晶材料，突破了傳統(tǒng)高分子液晶致動材料內部分子排列松散、需通過化學交聯(lián)固定結構、無法兼容通用高分子加工方法的瓶頸。

新材料擁有堪比天然蜘蛛絲的力學性能，而且還可制成纖維、薄膜甚至復雜三維結構；遇光刺激時，分子整齊運動，能夠帶動整個材料收縮、彎曲。這項研究登上《自然》雜志，引發(fā)了全球科學家的廣泛關注，其中包括諾貝爾獎得主本·J·費林加等眾多國內外學者的借鑒引用。

但是傳統(tǒng)材料內部網絡結構復雜，外界刺激引起的微觀變化無法有效傳遞，導致整體形變幅度有限。項目團隊引入能量存儲與釋放機制，通過將材料預拉伸，可實現(xiàn)液晶結構的變化，使材料內部儲存了大量能量。

當光照觸發(fā)結構轉變時，存儲的能量瞬間釋放，產生高達81%的收縮形變，相當于將1米長的材料瞬間縮短至19厘米。研究人員還引入氫鍵，提高分子間的能量傳遞效率，提高了材料的靈敏度，實現(xiàn)“牽一發(fā)而動全身”的快速響應，以此構筑的仿生爬蟲運動速度達到同類材料的5倍。

傳統(tǒng)高分子液晶致動材料受限于分子結構與制備方式，既不夠強韌，也難以輸出足夠的驅動力，在構筑致動器件時往往力不從心。高分子液晶致動新材料分子的結構是可設計的，項目團隊通過對分子結構和排列方式進行設計，將材料模量變化范圍覆蓋三個數(shù)量級跨度，使之能與塑料、橡膠等多種材料無縫結合，構建復雜三維器件，提升拓展性能和功能。

這一策略很快得到國際同行的借鑒和應用，由此開啟了高分子液晶智能致動研究的新方向，推動了高分子液晶材料新體系的構建，目前該領域每年都有新的工作發(fā)表，引發(fā)了全球科學家對高分子三維致動器的研究熱潮。

三、應用拓展與科研影響力：從微觀到宏觀的創(chuàng)新成果

高分子液晶致動新材料的應用被寄予很高的期待。項目團隊利用高分子液晶致動新材料構筑出具有光響應特性的三維微管致動器，首次實現(xiàn)了微量液體的全光控輸運。

這款能在微尺度馭“水”的神器利用微管光照形變產生的毛細作用力，使液體自發(fā)向管的細端移動，能對水溶液、乙醇、汽油等各種流體進行精確操控。這項技術具有非接觸、無污染等特點，有望在生物醫(yī)藥設備、生化檢測分析、微流反應器等諸多領域得到應用，被稱為“具有真正開創(chuàng)意義的優(yōu)秀成果”。

高分子液晶致動材料的創(chuàng)制是新材料的高光領域，俞燕蕾教授團隊代表中國基礎研究的實力站在國際研究的前沿，實現(xiàn)了從跟跑到領跑的跨越。在這場科研“攀峰”的過程中，俞燕蕾曾2次登上《自然》雜志，卻有完全不同的心境。

2003年，俞燕蕾以第一作者身份在《自然》上發(fā)表液晶材料的光致形變研究成果，那時她在日本公派留學，論文的署名單位為東京工業(yè)大學。這成為她心里的一個遺憾，也因此立志要在中國的科研土壤上培育出更好的創(chuàng)新成果。

拿了博士學位后的第二個月，她毅然返回復旦大學，帶領團隊從零開始，以“敢闖無人區(qū)”的魄力深耕光響應液晶高分子領域。經過十余年技術攻關，她作為獨立通訊作者、復旦大學作為唯一署名單位，再次登上《自然》。

如今，在不斷增強自身團隊學術創(chuàng)新力的同時，俞燕蕾教授也致力于提升中國科研的國際影響力，多次受邀在頂級國際學術會議和期刊上報告或撰寫評述，推動了中國在該領域的學術話語權。

此次復旦大學俞燕蕾教授團隊獲得2024年度上海市自然科學獎一等獎，是對他們多年來科研努力的高度認可。他們的成果不僅在材料科學領域具有重要價值，也為相關應用領域帶來了新的突破和發(fā)展機遇，未來有望在更多領域綻放光彩，為人類社會的發(fā)展做出更大的貢獻。

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