智能材料正以前所未有的方式改變我們與環境的互動方式——從智能紡織品到仿生機器人，材料的多功能集成已成為該領域的關鍵前沿。其中，將強健的機械驅動與高保真的視覺輸出相結合，尤為引人關注。可見光光學響應能力，使得材料能夠將不可見的濕度、溫度或應力信號，直接轉化為肉眼可辨的顏色變化，極大推動了人機交互與實時傳感的發展。而濕度，作為一種普遍存在、綠色且生物友好的環境刺激源，正成為新一代可穿戴設備與軟體機器人的理想驅動方式。
在這一背景下，中國礦業大學（北京）王萌副教授團隊與北京大學工學院楊槐教授合作，提出了一種創新的“化學門控”策略，利用可逆氫鍵解鎖了三維拓撲藍相液晶聚合物薄膜在濕度響應中的多功能集成潛力。
2025年11月5日，相關成果發表于《Advanced Functional Materials》，標題為“Chemically Gated Hydrogen Bonds Unlock Multifunctional Humidity Responses in 3D Topological Blue Phase Liquid Crystal Polymers”。
化學門控，指的是通過特定化學反應，可逆地“開啟”或“關閉”材料的某項功能。在該研究中，氫鍵憑借其方向性、強度可調和刺激響應性，成為實現高性能門控的關鍵機制。研究團隊構建了全共聚網絡結構，引入高密度羧基作為功能位點，使材料兼具優異的機械性能與化學穩定性。初始狀態下，密集的氫鍵網絡將薄膜“鎖定”為濕度惰性狀態；而通過簡單的堿/酸處理作為“分子開關”，可逆地斷裂并重構這些氫鍵，使材料在“鎖定態”與高親水“解鎖態”之間切換。一旦被“解鎖”，該藍相液晶薄膜展現出三大卓越性能：快速可逆的結構色變化（445-603nm可見光范圍）、超過225°的顯著彎曲形變及高保真濕度-電信號轉換能力。這些性能使其在多級防偽、仿生驅動器和可穿戴呼吸傳感等領域展現出廣泛應用前景。
圖1.化學門控機制示意圖及多功能應用展示
經堿處理后（K-BPLC），薄膜對環境濕度表現出高度敏感且穩定的顏色響應。當相對濕度從10%升至100%，其結構色從藍色連續漸變至紅色，且在20次循環測試中仍保持優異的可逆性與抗疲勞性。通過原位紅外光譜與激光共聚焦顯微鏡觀測，研究揭示了變色背后的分子機制：水分子逐步滲入引發各向異性溶脹，晶格膨脹驅動宏觀光學與尺寸變化。
圖2. K-BPLC薄膜在不同濕度下的結構色變化
薄膜在濕度刺激下還能實現快速、可控的彎曲形變。其機制在于：近濕源側吸濕膨脹，遠濕源側保持干燥，形成濕度梯度，進而產生內應力，驅動薄膜向遠離濕源的方向彎曲。研究團隊系統考察了共價交聯密度、非共價鍵、羧酸密度及相態結構等因素對驅動性能的影響，為定制化設計高性能軟體驅動器提供了理論依據。
圖3. K-BPLC薄膜的濕度驅動性能與網絡結構調控
該薄膜不僅可用于高安全性圖案化防偽標簽，還成功實現了多種仿生與機器人應用，如隨濕度“綻放”與“閉合”的仿生花朵與含羞草、可執行抓取任務的微型機械臂。且基于化學-電學耦合的可穿戴呼吸傳感器，能準確區分慢走與快跑等不同生理狀態。這項研究通過“化學門控氫鍵”策略，成功實現了藍相液晶聚合物薄膜在濕度響應中光學、驅動與電學信號的多功能集成，不僅拓展了智能材料的應用邊界，也為未來高性能仿生軟體機器人與可穿戴傳感系統的發展提供了新思路。該研究獲得國家自然科學基金與中央高校基本科研業務費的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202518925
