天津大学研究团队iScience：氢键锁定4D打印液晶弹性体，实现高强度与可编程能量耗散 | Cell Press论文速递

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2026-05-25 17:03发布于北京CellPress细胞科学官方账号

问AI · 氢键锁定策略如何动态提升材料冲击耗散能力？

交叉学科

Interdisciplinary

面对冲击防护、振动衰减与软体机器人界面等应用需求，兼具高强度与高耗能能力的轻质软材料仍然稀缺。液晶弹性体（LCE）因具有独特的软弹性和取向相关力学响应，被认为是极具潜力的能量耗散材料，但其固有强度偏低、结构设计自由度受限，长期制约了其在承载型阻尼与防护场景中的应用。

近日，天津大学王玲、封伟、杨言昭团队提出一种“氢键锁定”4D打印策略，将2-脲基-4[1H]-嘧啶酮（UPy）四重氢键引入LCE网络，并结合直写打印（DIW）过程中的流动诱导取向与后续紫外固化，实现了打印过程中液晶基元取向的快速锁定。所得UPy-LCE材料的冲击能量耗散比最高可达89.24%，拉伸强度最高可达9.4MPa，并可通过打印路径、加载方向与晶格结构实现耗能行为的可编程调控，为软防护、减振缓冲及机器人交互界面等领域提供了新的材料设计思路。相关成果以“High-Strength, Programmable Energy-Dissipating Liquid Crystal Elastomers via Hydrogen-Bond-Locked 4D Printing”为题发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience。

前言

增材制造技术为轻质缓冲结构与功能材料的一体化设计提供了前所未有的自由度，而液晶弹性体则因其介晶基元在受力过程中的取向调整，具备传统弹性体难以实现的软弹性响应与能量耗散能力，因此被认为是极具潜力的新型阻尼材料。尽管如此，传统液晶弹性体普遍存在强度不足的问题，其根本原因在于材料需要保留足够的链段活动性和介晶运动空间，因而难以通过提高永久共价交联密度来获得更高的力学强度。与此同时，在打印和成型过程中，流动诱导形成的液晶取向还容易在固化前发生松弛，进一步限制了材料性能的充分发挥。基于此，发展一种既能在打印过程中有效锁定取向、又能在固化后兼顾强度与耗能性能的液晶弹性体设计策略，成为该领域的重要研究方向。

UPy四重氢键在打印过程中“锁住”取向

该工作从分子设计入手，将能够形成自互补二聚体的UPy基元接枝到LCE网络中。UPy之间可形成供体—供体—受体—受体（DDAA）型四重氢键，这类超分子相互作用既能在静止状态下充当物理交联点，又能在温度和应力作用下发生可逆解离与重组。研究团队巧妙利用了这一动态特性：在打印筒和喷嘴的较高温度下，UPy缔合大幅减弱，从而保证油墨仍具有足够链段流动性与可挤出性；而当油墨挤出喷嘴后，随着温度下降，UPy二聚体迅速重新形成，对喷嘴内剪切/拉伸诱导出的介晶取向产生超分子锁定作用，抑制其在紫外固化之前发生松弛。随后，光固化反应进一步将这种取向永久固定，最终获得高取向度的单畴UPy-LCE。

图1：UPy-LCE的合成

(A) 合成UPy-LCE油墨使用的分子的化学结构及网格中氢键的形成机制；

(B) UPy在DIW打印过程中锁定液晶分子取向的示意图。

2. 在保持软弹性的同时显著提升材料强度

除了在加工过程中帮助保留取向，UPy的引入还显著改善了LCE的力学性能。研究首先优化了前驱体中胺基与丙烯酸酯的化学计量比，在强度与延展性之间选取了较为平衡的基础配方；在此基础上进一步引入羟基侧基与UPy基元后，材料的应力—应变曲线明显变陡，断裂强度持续提升。其中，含30mol%UPy的样品拉伸强度最高达到9.4MPa，较未引入UPy的体系实现显著增强。这一结果表明，UPy四重氢键在小变形阶段能够作为动态物理交联点提高模量与承载能力，而在大变形阶段又可充当牺牲键，通过可逆断裂与重组缓释应力、耗散能量，从而在强度提升与耗能保持之间实现协同。

图2：UPy-LCEs的取向行为与力学性能

(A) UPy-LCE与UPy-LCE二维广角X射线衍射环的偏光显微镜图像。比例尺：100微米；

(B) 不同UPy含量的单畴UPy-LCE纤维随温度的收缩应变变化；

(D) 不同UPy含量下UPy-LCE的应力-应变曲线。

单畴UPy-LCE展现出优异且各向异性的耗能行为

在冲击测试中，UPy-LCE展现出十分突出的能量耗散能力。当相同玻璃球从固定高度自由下落时，空白木质台面的能量耗散比仅为26.38%，而纯LCE样品已可达到82.12%；随着UPy含量增加，材料的冲击能量耗散比进一步提高，其中UPy含量为30%的样品最高达到89.24%。这说明LCE本身的软弹性已赋予体系优异的冲击缓冲能力，而UPy超分子网络的引入则进一步放大了这一优势。在循环压缩过程中，材料还表现出显著的方向依赖性：当加载方向平行于介晶取向方向时，迟滞环更加明显，归一化能量耗散比约为53.8%；当加载方向垂直于取向方向时，该值约为28.8%。这一结果表明，单畴UPy-LCE的阻尼行为并非各向同性常数，而是可随打印诱导取向与加载方向关系而发生显著变化。

图3：UPy-LCEs的能量耗散性能

(A) 定向打印晶格试样的代表性照片，加载方向平行于取向方向压缩前及达到最大压缩应变时的状态。比例尺：5毫米；

(B) 定向打印晶格试样的代表性照片，加载方向垂直于取向方向压缩前及达到最大压缩应变时的状态。比例尺：5毫米；

(D) 与取向方向垂直加载条件下，(B) 中点阵结构的循环单轴压缩应力-应变曲线（第 1~3 次循环），能量耗散率为28.8%。

从分子设计走向结构设计：耗能性能可被“编程”

该研究进一步将材料层面的耗能机制与4D打印结构设计结合起来，实现了从材料可耗能到结构可编程耗能的拓展。研究团队系统比较了90°正交错层晶格与45°斜向错层晶格在不同孔径下的压缩行为。结果表明，两类结构中均以0.7mm孔径获得最佳能量耗散表现，说明过小孔径会限制晶格整体变形与介晶重排，而过大孔径则会因材料体积分数下降而削弱本征阻尼贡献。同时，45°错层结构在各孔径条件下均优于90°正交结构，平均提升约5%，说明倾斜支杆更有利于激活剪切主导的多向变形模式，从而放大黏弹损耗与内部摩擦。进一步比较不同拓扑单元后，研究还发现三角晶格在不同应变速率下均表现出更高刚度与更大迟滞环面积，提示通过单元几何、孔径和打印路径的协同设计，可以对UPy-LCE超结构的宏观阻尼响应进行多维调控。

图4：孔径尺寸与打印结构对压缩能量耗散的影响

(A) 不同孔径（0.5、0.7、0.9 毫米）的90°正交交错点阵结构实物图，比例尺为5毫米；

(B) 不同孔径（0.5、0.7、0.9 毫米）的45°斜向交错点阵结构实物图，比例尺为5毫米；

(D) 不同孔径（0.5、0.7、0.9 毫米）的45°斜向交错点阵结构的压缩应力-应变曲线；

(D) 两种三维点阵结构（90°与 45°）的能量耗散率随孔径变化的关系，数据以平均值±标准差表示。

图5：不同单元结构4D打印晶格的力学表征

（A–C）4D 打印点阵结构的光学照片，其中（A）六边形拓扑、（B）方形拓扑、（C）三角形拓扑。比例尺：5毫米。

（D–F）分别为（D）六边形、（E）方形、（F）三角形点阵在循环压缩条件下对应的压缩应力-应变滞后曲线，测试应变速率分别为 0.1 s⁻¹（黑色）、0.5 s⁻¹（红色）与 1 s⁻¹（蓝色）。三种结构中，三角形点阵具备最高的刚度与峰值压缩应力；所有点阵均表现出显著的速率相关特性，应变速率越高，应力值与滞后损耗越大。

面向高性能软防护与减振器件的新平台

总体来看，该工作提出的“氢键锁定”4D打印策略为高性能液晶弹性体的构筑提供了新的思路。UPy四重氢键在打印过程中可快速固定流动诱导形成的液晶取向，在材料受力变形过程中又可通过可逆解离与重组参与能量耗散，并同时提升材料的力学强度。与此同时，直写打印赋予材料可调控的取向排列和结构形貌，使其耗能性能不仅来源于材料本身，也能够通过结构设计进一步优化。基于这一特点，该体系在冲击缓冲、振动衰减、柔性防护、可穿戴缓冲层、软体机器人界面以及轻质耗能结构等方面展现出良好的应用潜力。

总结

该研究将超分子化学、液晶弹性体与4D打印深度融合，构建出兼具高强度、高取向度与可编程耗能能力的新型UPy-LCE体系。通过在分子层面引入动态四重氢键、在加工层面利用直写打印诱导取向、在结构层面设计晶格孔径与拓扑，研究团队实现了从材料组成到结构响应的多层级协同优化。这一成果不仅拓展了LCE在能量耗散与冲击防护领域的应用前景，也为高性能软物质结构的一体化设计提供了新的研究范式。