针对上述难题，格罗宁根大学Ben L. Feringa院士、Alexander Ryabchun教授合作，设计并合成了一系列基于第一代分子马达的新型光响应交联单元（图1），通过系统调控马达核心的刚性延伸、柔性间隔基链长及取代基电子效应（氰基与醛基），成功建立了从分子设计到宏观驱动效率与网络刚度的清晰构效关系。研究发现，氰基功能化马达因强吸电子基团带来的更大偶极矩显著增强了网络内分子取向有序性，从而产生更高的光生应力；而醛基马达则展现出更快的响应速率。更重要的是，这些马达集成的LCPNs具有本征荧光特性，无需外加荧光分子即可实现形状编码图案的可视化。该多功能液晶-马达杂化系统将光致驱动、机械性能可调与荧光信号输出协同集成，为下一代软执行器与智能光子器件提供了全新设计范式。相关论文以“Efficient molecular motors in liquid crystal networks enable the integration of fluorescence with large opto-mechanical effects”为题，发表在Nature Communications上。

图1 马达化液晶聚合物网络。 以往的LCPN体系中使用的分子光学开关，包括偶氮苯（Azo）和第二代马达（MSG），存在光稳态（PSS）低、开关速率慢、Z态不稳定以及显著的光热效应等局限性（左图）。本工作设计的光响应聚合单元包含高效氰基（CN）和醛基（CHO）功能化的第一代分子马达，具有增强的量子产率（QY）和光稳态、改善的光机械反馈以及可切换荧光特性（右图）。底部示意图展示了分子马达嵌入的LCPN结构。分子组分经光聚合形成具有特定分子取向𝐧̅的交联聚合物网络。

分子马达的溶液旋转行为

研究团队首先对设计合成的系列分子马达在溶液中的单向旋转行为进行了系统表征（图2）。以氰基马达CN-S为例，核磁共振氢谱清晰展示了其完整四步单向旋转循环（图2a）：在340纳米紫外光照射下，初始的ES异构体转化为ZM异构体，光稳态中ZM:ES比例高达90:10；随后在室温暗处放置4天，ZM通过热螺旋反转过程几乎完全转化为ZS异构体，转化率超过99:1（图2b）。紫外-可见吸收光谱进一步验证了这一过程，初始吸收带在光照下逐渐减弱，同时出现归属于ZM的新吸收带，该过程可在415纳米蓝光照射下可逆回复（图2c）。动力学研究表明，不同马达的ZM→ZS热螺旋反转过程的半衰期从约67小时至359小时不等，对应的吉布斯自由能活化能在102.8至107.5 kJ/mol之间。值得一提的是，所有马达在紫外光下的光稳态异构化比例均超过90%，其中醛基马达的光致异构化量子产率高达85%，远优于氰基马达（图2d），展现出卓越的光效性能。这些光谱数据证实，氰基和醛基修饰的分子马达均能在溶液中实现可控单向旋转，其红移吸收、稳定的ZM中间态及高量子产率为集成到液晶软执行器中高效驱动宏观形变奠定了坚实基础。

图2 功能化马达在溶液中的旋转表征。 a CN-S分子马达的完整旋转循环，包含两个E/Z光化学异构化步骤及随后的热螺旋反转（THI）。b CN-S在不同状态下的部分¹H NMR谱图（600 MHz，CD₂Cl₂，25°C）。初始ES异构体（蓝线）经340纳米光照90分钟后转化为ZM（绿线）。THI至ZS（紫线）通过将样品在室温暗处放置4天实现。c CN-S-ES（深蓝线）在340纳米紫外光照射下光致异构化为ZM态（绿线），随后在415纳米光照下恢复至光稳态ES态（浅蓝线）（5×10⁻⁵ M THF，20°C）。CN-S-ZM经热螺旋反转形成ZS态（紫线）（5×10⁻⁵ M 甲苯，60°C，3.5小时）。d CHO-S遵循类似过程：365纳米紫外光将ES态（深蓝线）转化为ZM态（绿线），后者在455纳米光照下可逆回复（浅蓝线）（5×10⁻⁵ M THF，20°C）。CHO-S-ZM经热螺旋反转形成ZS态（紫线）（5×10⁻⁵ M 甲苯，60°C，5.5小时）。

光驱动变形行为比较

在溶液研究基础上，团队将不同结构的光响应单元以相同比例共聚到标准化的液晶聚合物网络基质中，制备了具有平面取向的薄膜样品，并系统比较了它们在紫外光照射下的宏观驱动性能（图3a）。氰基马达和醛基马达体系在340纳米紫外光（功率密度2.2 mW/cm²）下测试，偶氮苯和MSG体系则在365纳米紫外光下测试，功率条件相同，所有条带均朝向光源发生弯曲。实验结果显示，醛基功能化马达（CHO-L和CHO-S）掺杂的LCPNs表现出最快的响应速率，这与其高量子产率直接相关。其中，CHO-L的最大弯曲程度与CN-L-C3和CN-L-C6相当，且显著优于CHO-S和CN-S。团队通过密度泛函理论计算证实，这一增强性能归因于马达核心的刚性延伸结构：短核心马达在异构化过程中的分子长度变化仅为4.36埃，而长核心马达的变化高达11.37埃，更大的几何变化有效放大了分子尺度的异构行为，从而增强了宏观形变输出。更重要的是，这种光化学驱动的驱动行为完全可逆，通过紫外光与蓝光的循环照射可反复实现，且不伴随液晶有序度的大规模重排，即使在低温水下环境仍可发生驱动。作为对照，所有第一代马达体系（含氰基和醛基）与偶氮苯体系均表现出相似的最大弯曲程度，但氰基体系因光致异构化效率较低，达到该最大值所需时间显著更长；而第二代马达MSG因量子产率低和光稳态不佳，整体驱动性能最弱（图3a）。这些结果清晰地表明，光响应单元的分子结构对LCPNs的驱动行为具有显著影响。

光机械性能定量分析

为了定量评估光能向机械能的转化效率，研究团队对各类LCPNs薄膜的弹性模量和光生应力进行了系统测量（图3b-e）。所有样品的玻璃化转变温度在8.9至14.8°C之间，远低于室温，确保测试在橡胶态进行。弹性模量测试显示，氰基马达网络具有更高的模量（约60-120 MPa），而醛基体系则相对较低（图3e下图）。在光生应力测试中，条带被施加约1%的预应变后接受紫外光照射，实时记录应力变化（图3b）。以CN-L-C6为例，在340纳米紫外光（13.4 mW/cm²）照射下，应力逐渐积累并在约80分钟后达到饱和值（图3c）。通过红外热成像监测，该条件下的温度升高仅为0.5至1.7°C，表明光热贡献极小（低于10%），应力增长主要归因于分子马达的光化学异构化。关闭紫外光后，大部分应力得以保持；而在高强度蓝光照射下，应力先因光热效应短暂跃升，随后逐渐下降至初始状态，证明马达已从ZM态恢复至ES态（图3c）。对比所有体系（图3d），氰基长核心马达（CN-L-C6）光化学贡献的光生应力最高（约940 kPa），显著高于其短核心对应物（CN-S，约800 kPa）；醛基长核心体系（CHO-L，约650 kPa）同样表现出优于短核心体系（CHO-S，约550 kPa）的性能（图3e上图）。值得注意的是，尽管氰基马达的量子产率较低（应力积累较慢），但其产生的最大应力却显著高于醛基体系。团队通过偏振紫外-可见光谱和TD-DFT计算揭示了内在机制：氰基马达的强吸电子特性赋予其更大的方向性偶极矩，使分子在液晶网络中获得更高的取向有序度（线性二色性D≈0.37，而醛基仅为0.22），从而将单个分子的定向收缩更有效地协同转化为宏观应力。作为对照，第二代马达MSG体系的光生应力最弱，且光热贡献高达42%，进一步印证了其光机械效率的局限性（图3e）。研究团队估算，氰基长核心体系中每个马达单元贡献的力高达约6.0×10⁻¹⁸ N（图3f），较此前报道的未取代第一代马达体系提升了一个多数量级，也远超偶氮苯和第二代马达体系，甚至显著优于此前报道的马达凝胶和超分子肌肉纤维体系。

图3 不同光响应单元马达化LCPNs的光驱动性能与光机械特性对比研究。 a 不同LCPN条带在紫外光照射下的尖端位移曲线。氰基马达和醛基马达体系在340纳米紫外光下测试，偶氮苯和MSG体系在365纳米紫外光下测试，功率条件相同。插图示出驱动过程快照，样品名称以与位移曲线匹配的散点标示。紫外光强度为2.2 mW/cm²。b 光机械性能测试实验装置示意图。LCPN条带施加约1%预应变，光照同时实时监测机械力变化。c CN-L-C6 LCPN条带在不同波长光照下的光生机械应力。紫外光和蓝光照射分别引起应力的逐渐积累和后续释放，归因于分子马达旋转的光化学效应。应力的瞬时升高或下降归因于光热效应。d 含不同光响应单元的LCPNs在紫外光照射下机械应力的建立过程。阴影区域表示相同条件下三次或以上对照测试的误差范围。e 不同光响应单元LCPNs的机械性能对比分析。上图显示最大光生应力及光化学与光热效应的相对贡献；下图显示各网络的弹性模量，误差棒代表基于至少三次独立测量的标准误差。氰基马达和醛基马达体系在340纳米光照下测试，偶氮苯和第二代分子马达在365纳米光照下测试，功率条件相同。紫外光和蓝光强度分别为13.4 mW/cm²和188.5 mW/cm²。所有LCPN薄膜均为平面取向并沿取向方向切割。机械测试沿取向方向进行。f 不同材料中各类光响应活性单元在紫外光照射下产生力的近似估算对比。力值按单个分子单元计算（见补充信息第14节）。

光驱动与荧光的协同耦合

在对LCPNs光驱动变形行为的研究过程中，团队观察到含有氰基和醛基马达的薄膜在紫外光激发下呈现明显的荧光发射（图4）。溶液研究发现，CN-L-C6和CHO-L在ES态均具有显著荧光，发射峰分别位于383纳米和410纳米，而对应的ZM态几乎不发光（图4a、b）。定量分析显示，氰基马达的发射强度约为醛基马达的4倍，这与其较低的光致异构化量子产率相关，表明激发态下辐射跃迁与光化学异构化路径之间存在竞争。循环光照实验证明了荧光响应的可逆性与抗疲劳性（图4c）。在LCPN薄膜中，荧光光谱出现了约480纳米的长波长发射带，且380纳米附近的短波长峰相对被抑制。通过制备约2微米的超薄膜，短波长发射重新占据主导，证实厚膜中的光谱红移主要源于自吸收（内滤效应）。团队进一步展示了该荧光特性在光学信息记录中的应用：通过掩模对CN-S薄膜进行340纳米紫外光图案化曝光，可清晰观察到蛇形图案和“RUG Feringa Lab”文字信息，而这些荧光图案可在415纳米蓝光照射下有效擦除，实现了可逆光学信息记录（图4d）。更为巧妙的是，团队设计了形状编码与荧光可视化耦合实验（图4e、f）：当条带两侧均覆盖垂直于液晶取向方向的条纹掩模并曝光时，两侧暴露区域对称激活，条带保持平直而荧光图案清晰可见（图4e左上、右上）；随后单侧均匀紫外光照射打破应力平衡，条带向光源弯曲，而另一侧蓝光照射则可使应力释放并擦除荧光图案（图4e下）。当掩模条纹与液晶取向成45°角时（图4f左），双侧对称曝光后单侧紫外光照射使条带弯曲，而另一侧蓝光照射则使条带向远离光源方向弯曲，形成左手螺旋结构，继续延长蓝光照射时间则可逐渐解螺旋恢复平直状态（图4f右）。这些实验生动展示了荧光信号与可逆机械变形行为的协同耦合，为光控可视化、信息加密及智能软器件构建提供了新策略。

图4 氰基马达的形状变化行为与可切换荧光的耦合。 a CN-L-C6和b CHO-L在ES态和ZM态下的吸收与发射光谱（DCM溶液）。c CN-L-C6在340纳米（产生ZM）和415纳米（产生ES）光循环照射下的抗疲劳性能研究。d 利用掩模曝光在CN-S LCPN薄膜上实现预设图案的可逆可视化。在340纳米光照下，LCPN薄膜显示蛇形和“RUG Feringa Lab”文字图案，该图案可在415纳米光照下擦除。蓝色区域表示初始态，绿色区域对应紫外曝光区域，如下方荧光光谱所示。e 使用掩模对LCPN条带进行形状编码。掩模条纹垂直于液晶取向方向。条带双面曝光后，在紫外光激发下可见对应的条纹荧光图案。在相同侧交替暴露于340纳米和415纳米光时，条带呈现可逆弯曲变形。f LCPN条带通过掩模进行形状编码。掩模条纹相对于液晶取向方向呈45°角。条带双面曝光后，在340纳米光照下条带向光源弯曲。当415纳米光施加于对侧时，条带背向光源弯曲，形成左手螺旋形状。延长415纳米光照时间，螺旋逐渐解旋恢复初始平直形状。

总结与展望

本研究成功设计合成了系列氰基和醛基功能化的第一代分子马达，并以其为交联单元构建了兼具高效驱动与可切换荧光的多功能液晶聚合物网络。通过系统调控取代基电子效应、马达核心刚性延伸及柔性间隔基链长，团队建立了从分子结构到材料宏观性能的清晰构效关系：氰基马达因高取向有序度赋予网络高刚度和强光生应力，醛基马达则凭借高量子产率实现快速响应，而核心刚性延伸有效放大了分子几何变化从而增强机械输出。更重要的是，该研究首次在马达驱动的LCPN体系中系统观察并研究了光驱动与荧光响应之间的耦合机制，通过单一分子设计即可同时获得高效驱动与可视化编码功能，避免了传统复合体系的复杂加工与兼容性问题。这种集光致驱动、机械可调与荧光信号于一体的分子工程策略，为开发下一代光控软执行器、智能光子器件及自适应材料开辟了新路径，有望推动分子驱动智能材料领域向更高层次的集成化与多功能化发展。