《Responsive Materials》：From 0D to 3D liquid crystal elastomers architectures: Fabrications and applications
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本文系统性地回顾了液晶弹性体（LCEs）这一智能软材料从零维到三维的跨维度构筑策略与应用前沿。文章深入阐述了LCEs结合液晶的各向异性与聚合物网络弹性的基本物理特性、驱动机制与取向原理，并重点评述了针对不同维度（0D/1D/2D/3D）结构的先进制造技术，如微流控、纺丝、3D打印等。在此基础上，综述展示了LCEs在微流体、软体机器人、智能织物、可调光学器件及能量耗散材料等领域的巨大应用潜力，总结了当前挑战并展望了未来机遇，为设计新一代智能响应材料与器件提供了全面指导。
在智能材料的前沿领域，液晶弹性体（LCEs）正以其独特的魅力吸引着广泛关注。它们巧妙地将液晶（LC）介晶元的各向异性与橡胶的弹性相结合，诞生出一种能够对外界刺激产生可逆形变的“魔术”材料。想象一下，一种材料能在热、光、电甚至湿度的轻微“触碰”下，自如地收缩、弯曲或改变颜色，这为从微型机器人到自适应光学器件等一系列颠覆性应用打开了大门。本文旨在带您纵览LCEs从“点”（零维）到“线”、“面”乃至“体”的整个多维构筑世界，揭示其背后的科学原理、制造秘诀与无限潜能。
走进LCEs的奇妙世界：基础与特性
要理解LCEs的“魔法”，首先要从它的核心——液晶说起。液晶是介于晶体和液体之间的一种热力学稳定中间相，它既拥有晶体分子的有序排列和各向异性，又具备液体的流动性。当液晶介晶元被适度交联到聚合物网络中，就形成了液晶弹性体。这种双重特性赋予了LCEs内在的刺激响应性：其宏观特性强烈依赖于液晶畴在聚合物基体中的排列方式。通过调控尺寸、形状和维度层次，LCEs可以被设计成零维颗粒、一维纤维、二维薄膜或三维块体结构。
LCEs的驱动本质源于液晶介晶元对外部刺激的响应。其有序程度常用标量序参数S描述。当被加热到向列相-各向同性相转变温度（TLC–iso）以上时，介晶元失去取向有序性，聚合物链松弛成无规线团构象，从而产生大的、可逆的宏观应变；冷却则恢复初始各向异性。基于这一热学原理，各种能量输入方式被开发出来以扩展驱动工具箱。除了直接加热，电热、磁热或光热等间接策略进一步增强了其多功能性。此外，在LCEs中引入如偶氮苯等光响应基团，可赋予其光化学变形能力。光刺激尤其能提供远程、时空分辨和非接触控制，在波长、强度和偏振上具有可调性，使其对精密驱动极具吸引力。电场刺激则提供了便捷的可编程性和更高的能效。溶剂和湿度响应则代表了环境友好和低能耗的驱动方式。
微观世界的指挥家：LCEs的取向控制艺术
LCEs的变形行为与其内部介晶元的取向至关重要。适当的取向和锚定策略能够实现可控的力学性能和可编程的形状变化。LCEs的取向主要可分为平行和垂直模式，而扭曲和展曲态则源于混合锚定条件。这些取向构型决定了介晶元的序和方向，从而决定了在外界刺激下变形的幅度和取向。因此，取向控制是定制LCE性能、实现功能化设计的基石。
目前，多种取向方法已被开发出来：
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机械拉伸：这是最广泛应用的方法，通过对部分交联的网络进行形变，再进行二次交联，可产生单畴LCEs，特别适用于厚或几何形状复杂的样品。
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表面锚定：通过摩擦、光取向或微通道图案化等技术，能在薄膜（通常<100 μm）上精细控制介晶元取向。
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外场辅助取向：利用电场和磁场的各向异性来排列介晶元，但在粘稠或厚的体系中通常需要高场强，限制了其实用性。
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剪切诱导取向：随着3D打印的兴起，基于挤出的方法允许在沉积过程中通过剪切力使介晶元沿打印路径排列，便于制造复杂结构。
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各向异性溶剂蒸发：对于胆甾相LCEs（CLCEs），这提供了一条获得周期性螺旋排列的独特途径，扩展了结构多样性和应用潜力。
从零维到三维：维度化构筑的百变神通
LCEs可按其几何形状分为零维、一维、二维和三维结构。这种分类不仅突出了形态差异，也揭示了分子取向如何与结构功能相耦合。
零维构筑：微小粒子的宏大作为
0D-LCEs通常表现为颗粒或液滴，具有离散性和分散性。其内部指向矢场常为双极或径向排列，使其能在外部刺激下发生各向异性收缩，并在组装后进一步提供集体调控或功能增强。制备方法主要包括微流控、乳液分散、沉淀聚集和低温研磨等。微流控技术可制备单分散性好的颗粒（20–551 μm），通过调整连续相和分散相的流速比可调液滴尺寸；乳液分散法可产生平均直径约10 μm的颗粒；沉淀聚集法通过控制溶剂和温度条件，可获得尺寸分布窄的颗粒（0.7–1.4 μm）；而低温研磨则提供了一种通过机械破碎块体LCE得到颗粒的直接途径。
这些微小粒子作为单颗粒微执行器，可充当自主微型泵。当组织成有序晶格时，它们能表现出集体光学特性，例如由热驱动的晶格手性切换，为可调光子超材料提供了机会。此外，将0D-LCE微颗粒分散到弹性体基质中，可将它们的微尺度响应性转移到块体材料，制造出刺激响应复合材料，通过磁场引导排列可实现可编程的形状记忆行为，如弯曲、鞍形变形和扭曲。
一维构筑：纤维的力量与柔韧
1D-LCEs主要以纤维或管状结构存在，几何连续性便于沿纵向轴的单轴排列。因此，它们在相变过程中表现出明显的轴向收缩和高功率输出，类似于生物肌纤维。此外，纤维形态允许编织、排列和大规模集成，充当连接局部驱动与宏观构造的桥梁。目前，已开发出九种主要策略来制造1D-LCE纤维，包括熔融纺丝、微流控辅助湿法纺丝、静电纺丝、直写成型、熔体电纺丝写入、涂覆、模板法、液相拉伸和尖端生长法。这些方法通过不同的加工策略诱导介晶元排列，并在固化过程中固定取向，这强烈影响所得纤维的均匀性、连续性和性能。
1D-LCEs的连续性和可编织性使其在智能织物领域大放异彩，可用于热管理、可编程变形、力致变色和生物医学辅助。由LCE纤维捆束制成的仿生肌肉，在应变幅度、驱动应力和频率上可与天然肌肉相媲美，甚至有所超越，是康复、可穿戴外骨骼和仿生驱动系统的有力候选者。此外，1D-LCE纤维在纤维基执行器方面也展现出优势，可用于微型游泳器、微钳、微型剪刀、仿生翅膀乃至旋转微引擎，实现能量收集。
二维构筑：薄膜的 programmable 变形与多彩光学
2D-LCEs通常以薄膜或层状片材形式存在，其关键特征在于可编程的面内指向矢图案。这些排列可以通过摩擦、光对齐或磁模板等技术“刻写”进去。胆甾相LCE（CLCE）薄膜还能通过螺距调制实现力致变色或热致变色光子响应，在光学调控、图案化功能和信息存储方面赋予其独特优势。制备方法主要包括液晶盒法、数字光处理打印、模板法、直写成型、静电纺丝、刮涂法和喷涂沉积法。其中，液晶盒法是最广泛应用的技术，通过组装两个玻璃基板形成液晶盒并注入前驱体，可以精确控制薄膜厚度，同时通过取向层实现分子排列。
这些薄膜是构建形状变形驱动器的理想平台，其预设的指向矢图案能直接映射到复杂的弯曲、扭曲或折叠模式。在光学器件方面，CLCE薄膜能展示鲜艳的结构色和刺激响应颜色变化，可用于动态显示、防伪和传感。此外，通过喷涂沉积等可扩展方法制备的CLCE涂层，在光学显示领域展现出巨大潜力。
三维构筑：体空间的自由设计与复杂功能
3D-LCEs进一步释放了体积和拓扑自由度，依靠先进的增材制造技术实现体素级取向。通过在不同空间区域写入连续或分区的取向，3D架构可以实现复杂的体积变形，如弯曲、扭曲和收缩，同时晶格设计和多材料集成为能量耗散和分层机械调控提供了机会，推进了其作为智能结构材料的潜力。制造方法可分为六类：基于模具的技术、数字光处理打印、直写成型、混合打印方法、双光子聚合和熔融沉积。
基于模具的技术由于精度和可重复性，仍是大型3D-LCEs最广泛使用的方法。相比之下，3D打印策略通过实现独立式架构推动了该领域的发展。数字光处理打印展示了制造复杂3D架构的能力；直写成型允许挤出具有快速固化特性的粘弹性LC墨水，产生具有局部剪切排列的自支撑长丝；混合方法结合了数字光处理打印的结构保真度和直写成型的取向自由度，实现了悬浮几何结构、多材料复合材料和更强的界面。新兴策略如双光子聚合，能够实现体素级固化，制备出高度复杂的结构；而熔融沉积则利用挤出过程中液晶聚合物域的流动诱导自组装，使其沿打印路径排列，从而显著提高刚度、强度和韧性。
结语与展望
从零维到三维，LCEs的跨维度工程展示了如何将分子级的有序性转化为宏观级的智能形变与功能。不同的维度并非简单的线性叠加，而是针对其几何特征匹配的独特“制造-取向-结构”组合，决定了在何处以及如何调控分子或介晶元的排列——是在单个颗粒内部、沿着纤维骨架、跨越薄膜平面，还是贯穿整个块体体积。这些维度特异性的排列自由度构成了LCE基器件变形模式、驱动行程、承载能力和光子响应的调控基础。
尽管LCEs已在多个领域展现出令人瞩目的应用潜力，但其发展仍面临一些挑战，例如更快速、更节能的驱动方式开发，复杂3D结构中取向场的精确与高效编程，以及材料的长周期稳定性与可靠性提升等。未来，通过材料化学、微纳制造、驱动控制与人工智能的多学科交叉融合，LCEs有望在软体机器人、自适应光学、生物医学器件和能量管理等领域开启更广阔的应用前景，真正实现从“智能材料”到“智能系统”的飞跃。
