近期，芬蘭坦佩雷大學郭洪爽博士在形狀記憶與光響應驅動材料領域取得新進展，提出了一種基于硫屬鍵（Chalcogen Bonding, ChB）的超分子交聯策略，用于構建可形變液晶彈性體（LCE）材料體系。研究中，團隊采用Aza–Michael加成反應將液晶基元RM82、半胱胺（Cyst）與N,N-二甲氨基丙胺（Dma）聚合，同時引入含硒或含硫的ChB供體，實現了LCE主鏈結構的構筑（圖1-3）。其中，Dma末端的-N(CH3)2基團作為ChB受體，能夠與Se或S原子形成方向性Se/S···N硫屬鍵，從而誘導高效交聯。
圖1. 氫鍵，鹵鍵與硫鍵。
通過固態(tài)核磁共振（SSNMR）、拉曼光譜和密度泛函理論（DFT）計算，研究者系統(tǒng)分析了ChB在聚合物中的形成機制及其對分子結構穩(wěn)定性與能量分布的影響。進一步的力學測試表明，這些ChB-LCE材料不僅具備良好的形狀記憶與可逆變形能力，還展現出優(yōu)異的光熱響應性能和較強的機械穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)以氫鍵或共價交聯為主的LCE體系，硫屬鍵因其獨特的雙σ-孔結構與空間構型調控能力，在動態(tài)高分子網絡中提供了新的設計自由度，為推動智能軟體機器人材料的可編程與可持續(xù)發(fā)展提供了全新思路。相關成果以“Supramolecular Chalcogen-Bonded Shape Memory Actuators”為題，發(fā)表在國際知名期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》上。郭洪爽博士為第一作者，郭洪爽博士和于韋斯屈萊大學的Rakesh Puttreddy博士為共同通訊作者。
圖2. 硫屬鍵LCE的化學成分與表征。
圖3. 形狀記憶性能和可逆致動性能。
該工作首次系統(tǒng)驗證了硫屬鍵作為構建具有可編程形變與驅動能力LCE的一種簡便而高效的策略。盡管所制備的LCE體系中同時存在大量弱C–H···H–C氫鍵（單個能量約為4 kJ/mol）及共價交聯網絡，總能量遠高于單一的Se···N硫屬鍵，但正是這一特定非共價相互作用賦予了材料獨特的形變響應功能。相比之下，較弱的S···N作用無法激發(fā)同樣的功能響應，進一步強調了硫屬鍵在調控宏觀材料性能中的關鍵地位。值得一提的是，在LCE這一納米尺度結構復雜、分子構型難以精準調控的體系中，Se···N硫屬鍵實現了明確的結構-功能關聯，具有重要科學意義。此外，該體系具備高度模塊化特性，僅通過更換不同的ChB供體分子即可拓展材料的記憶形變或致動功能，避免了繁瑣的系統(tǒng)重構，為多功能材料設計提供了極大便利。未來，通過引入更強的Se···N或Te···N作用，或將二者協同融合，該系統(tǒng)有望在蒸汽響應機器人、人造肌肉、高靈敏傳感器等先進智能器件中展現廣闊應用潛力。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202508101
