有機室溫磷光(RTP)材料的發射源于三線態激子的輻射躍遷，但這一過程常受到分子熱運動、碰撞以及水、氧氣等猝滅因素的影響。為抑制此類非輻射躍遷，常將具有高分子量、強相互作用力及高玻璃化轉變溫度(Tg)的聚合物作為創造“剛性環境”的基質使用。然而，這類聚合物在室溫下往往呈現硬度較高的玻璃態，限制了其在柔性、可穿戴等實際場景中的應用。常見的彈性材料雖具備良好的柔韌性，卻難以有效抑制三線態激子的非輻射躍遷過程，導致其磷光性能普遍較差，因而也無法直接用于實現高性能的室溫磷光體系。因此，如何平衡材料的剛性與柔性，實現兼具高效磷光發射與良好機械性能的復合材料，成為當前該領域必須解決的關鍵問題。
針對上述挑戰，李振教授團隊創新性地設計了一種磷光液晶彈性體材料。該材料兼具液晶相與高分子軟彈性的特點，其液晶結構可借助剛性棒狀分子的有序排列和分子間相互作用實現高度組織化，進而有效抑制非輻射衰減并促進磷光發射，成功在聚合物體系中實現了宏觀柔性與微觀剛性的平衡。而且，當受到溫度刺激擾動時，材料的介晶單元能夠發生各向同性至各向異性的可逆轉變，從而賦予其動態驅動性能。此項研究不僅揭示了微觀剛性與宏觀柔性在構建高性能室溫磷光聚合物中的平衡機制，也為拓展該類材料在柔性可視化、智能驅動等前沿領域的應用提供了新思路。
2026年1月5日，相關論文以“Shining liquid crystal elastomer material: the balance of micro-rigidity and macro-elasticity and the inherent mechanism”為題發表在Advanced Materials上。天津大學分子聚集態科學研究院楊玉琦博士和博士研究生齊延文為論文的共同第一作者，共同通訊聯系人為楊琨博士、唐本忠教授和李振教授。
研究亮點
高效室溫磷光彈性體材料：該研究成功突破了柔性材料難以實現高效磷光的共性難題，設計出的LQ-4TPA材料在多項性能上取得顯著平衡：不僅實現了長達532毫秒的磷光壽命與11.03%的磷光量子產率，同時具備315%的斷裂伸長率和高達50%的熱驅動應變，在柔性光電材料領域實現了磷光效率與力學-驅動性能的高水平協同。
液晶彈性體中實現高效室溫磷光的核心機制：其核心在于發光分子與液晶基質在結構與相互作用上的精密協同。液晶基質需提供剛性的微觀環境以穩定三線態激子，而發光分子則需兼具磷光潛力、大體積及與基質之間產生強相互作用。大體積分子能深度嵌入液晶網絡，增強相互作用，進一步抑制分子熱運動。唯有二者在化學與物理層面高度匹配，才能在宏觀柔性體系中實現高效、穩定的室溫磷光。
光-熱雙重響應的智能應用演示：該材料集成了獨特的光控磷光“開關”特性與固有的熱致形變能力，并成功應用于兩類智能應用。其一為仿生液晶花，其花瓣能隨溫度變化規律性地開合，并同步實現磷光的“明-滅”切換；其二為智能抓手，可通過自身發出的磷光信號，實時、可視化地指示抓取狀態。這兩類演示應用生動展現了該材料在仿生及智能驅動領域的廣闊應用潛力。
圖1. 具有磷光與驅動雙功能的室溫磷光液晶彈性體設計示意圖
磷光液晶彈性體的光物理與光響應特性
本研究成功制備出具有室溫磷光與光響應特性的液晶彈性體LQ-4TPA。該材料呈現出清晰的藍色熒光(430 nm)與綠色磷光(533 nm)發射特征。在365 nm紫外光激發約10秒后，可實現肉眼可見的、持續約3秒左右的綠色余輝，同時其磷光壽命從初始的368 ms顯著提升至532 ms。加熱處理可使材料恢復至無磷光狀態，此過程可逆且循環性能優異。
機制研究表明，該光響應行為源于材料對氧氣的動態敏感特性。在富氧環境中磷光被顯著猝滅，而在氮氣氛圍下則能立即產生強磷光發射，這證實了在液晶彈性體中存在快速的氧氣擴散過程。紫外光照射可有效消耗材料局部的氧氣，從而減少對三線態激子的猝滅，使其能夠通過輻射躍遷發出磷光。基于這一獨特的光控氧響應機制，進一步實現了液晶彈性體的光學直寫功能。通過掩模法，可對材料進行區域化的光激發，從而實現圖案或信息的“光寫入”，隨后通過加熱處理，可實現信息的“熱擦除”。
圖2. LQ-4TPA的光響應室溫磷光特性
磷光液晶彈性體的物理特性
在熱-力學性能方面，該材料表現出高分解溫度(>343 °C)與低玻璃化轉變溫度(4.7 °C)，使其在室溫下處于高彈性態，斷裂伸長率可超過315%，實現了高效磷光與高彈性的統一。研究進一步發現，降低交聯密度會增強鏈段運動，導致磷光強度規律性下降，表明松弛環境會加速能量耗散；而在77 K低溫下鏈段運動被凍結，磷光則保持穩定。
在磷光來源方面，對比實驗表明，單獨的4TPA發色團僅在77 K低溫下顯示磷光，而空白樣品LQ-Blank則無磷光，這證實液晶交聯網絡是產生室溫磷光的關鍵結構。靜水壓實驗進一步揭示，與4TPA粉末在高壓下因分子緊密堆積導致發射峰持續紅移不同，LQ-4TPA在壓力超過8.4 GPa后其發射峰位保持穩定，說明液晶網絡發揮了結構支撐作用，有效抑制了發色團的過度堆積與π π聚集。上述結果表明，液晶網絡所構建的微觀剛性環境是實現高彈性體中高效室溫磷光的重要因素。
圖3. LQ-4TPA的物理性質與靜水壓測試
液晶彈性體中實現高效室溫磷光發射的核心機制
通過引入結構相似但體積不同的發色團(3TPA、2TPA、TMB)，結合光譜分析和理論計算，系統揭示了實現高性能磷光液晶彈性體的關鍵設計原則。研究發現，磷光性能首先取決于發色團自身的能級結構與系間竄越效率，4TPA與3TPA分子因具有更強的自旋軌道耦合而表現出優勢。更重要的是，發色團的分子體積及其與液晶網絡的匹配程度同樣關鍵，足夠大的體積(如4TPA，1418.80 ?3)有助于與液晶網絡形成更強的結合能(-17.59 kcal/mol)，從而在柔性基質中構建出穩定三線態激子的微觀剛性環境。這表明協同優化發色團內在性質及其與液晶網絡的相互作用，是實現高性能磷光液晶彈性體材料的核心。
圖4. 液晶彈性體中的室溫磷光發射機理
液晶彈性體中實現多色磷光發射策略
為實現多色磷光發射，本研究將熒光染料尼羅紅(NR)引入LQ-4TPA體系，通過F?rster共振能量轉移(FRET)策略，成功實現了從綠色到紅色發射的連續調控。其關鍵在于給體磷光(533 nm)光譜與受體吸收光譜的良好重疊。隨著NR濃度增加，533 nm處磷光峰減弱，600 nm處受體發射峰增強并最終主導發光。壽命測試證實了高效能量轉移過程，給體壽命隨濃度增加而縮短，受體發光壽命則從5.21 ns延長至毫秒級，實現了長余輝特性的有效傳遞。
圖5. 顏色可調余輝的策略
單疇液晶彈性體的制備與性能測試
除此之外，本研究成功將室溫磷光與液晶的可逆驅動特性集成于單疇液晶彈性體中。通過對多疇材料進行拉伸與熱處理，實現了拓撲結構轉變，其高度取向的有序結構經偏光顯微鏡與二維X射線衍射確認。該單疇材料在保留光響應磷光的同時，展現出優異的熱致可逆驅動性能。動態熱機械分析表明，編程后的材料在25-105°C區間內可實現高度一致的形變-回復循環。其驅動力源于液晶基元的有序-無序轉變，高溫下介晶單元趨于無序，材料收縮；冷卻后恢復有序排列，材料回彈至預設形狀。值得注意的是，材料的磷光與驅動行為實現了協同響應：高溫驅動時磷光淬滅，形狀恢復時磷光重現。這種多重響應特性使得形變與發光可作為雙重可視化信號，為開發新型可視化、智能軟驅動設備提供了關鍵材料基礎。
圖6. M-LQ-4TPA的制備與性能
磷光液晶彈性體的智能驅動應用
受材料磷光-熱驅動協同響應特性的啟發，該工作成功構建了兩種智能器件。仿生液晶花能夠模擬自然節律，隨溫度變化規律性地開合：在100°C時花朵綻放，室溫下自動閉合，并伴有可見的磷光發射。智能液晶抓手則利用熱致形變實現物體的抓取與搬運，其抓持狀態可通過材料自身發出的持久余輝進行實時、可視化反饋，即便在黑暗環境中亦清晰可辨。這些演示充分展現了該材料在集成驅動、發光與實時狀態反饋的智能軟體系統領域的廣闊應用前景。
圖7. 室溫磷光液晶彈性體的智能多功能應用
該工作是李振團隊近期關于高分子室溫磷光材料及其智能響應相關研究的最新進展之一，成功開發出兼具高效室溫磷光與優異驅動性能的液晶彈性體。其中，LQ-4TPA實現了532毫秒的磷光壽命、11.03%的磷光量子產率以及高達315%的斷裂伸長率，在柔性室溫磷光材料領域取得了重要突破。研究從機制上闡明了實現微觀剛性與宏觀柔性平衡的關鍵：一方面，發色團的分子體積及其與液晶網絡的匹配程度共同構筑了抑制非輻射躍遷的微觀剛性環境；另一方面，有序的液晶網絡為材料提供了可逆熱致驅動的結構基礎。基于該設計策略，研究進一步實現了多色可調余輝發射，并構建了仿生液晶花與智能液晶抓手兩類功能應用，展示了該材料在智能顯示與軟體機器人中的潛在應用。
原文鏈接 https://doi.org/10.1002/adma.202518840
