近年來，如何設計和開發仿生向日葵的向光性智能材料成為世界各國科學家的關注焦點。液晶彈性體（Liquid Crystal Elastomers, LCEs）兼具聚合物彈性和液晶各向異性，同時具有多刺激響應性、類似肌肉的機械性能、可逆驅動變形以及形狀可編程等性能，是一類優異的智能高分子材料，在仿生智能材料、人工肌肉和自適應系統等領域均具有廣泛的應用前景。

近日，天津大學封偉教授和王玲教授團隊與東南大學李全院士團隊合作，成功開發了一種基于MXene增強液晶彈性體的仿生向日葵管狀液晶驅動器，實現其在三維空間內智能感知、信息自反饋和精準光源追蹤，并探索了其在自適應光伏系統中的潛在應用（如圖1所示）。該研究不僅為開發兼具感知、自反饋和執行功能的軟物質智能材料提供新思路，還有望為高分子智能材料在自適應光電子學、智能軟機器人等領域的應用研究奠定基礎。

圖1.自然界向日葵向光性機理和液晶納米管狀驅動器的自適應光伏器件示意圖

作者設計并制備了一種可光聚合的二維MXene納米單體，通過原位光聚合到主鏈型交聯液晶彈性體中，獲得了MXene增強的液晶彈性體（MXene-LCE）管狀軟體驅動器?？晒饩酆螹Xene納米單體與LCE基體具有良好的相容性，顯著增強了LCE的機械性能并賦予其優異的光驅動能力（如圖2所示）。由于徑向形狀對稱性和向光不對稱變形特性，MXene-LCE管狀驅動器能夠像植物莖一樣向光照射的方向彎曲。作者詳細研究了MXene-LCE管狀驅動器的向光性行為及其感知、自反饋和功能執行機理（如圖3和圖4所示）。當受到光照時，MXene-LCE管狀驅動器能夠迅速感知、向光彎曲，并通過自反饋回路實現光源精準追蹤，具備在三維空間內所有角度快速感知、連續跟蹤和自適應地與入射光相互作用的能力。值得一提的是，MXene -LCE驅動器獨特的中空管狀結構可以通過延緩徑向熱傳導，在光照面和陰影面之間產生較大的溫差，賦予管狀驅動器快速的光響應特性和優異的光熱可控性，從而實現了類似向光性植物的自適應光源精準追蹤。

圖2. MXene-LCE管狀驅動器的制備及性能研究

圖3. MXene-LCE管狀驅動器在三維空間內的自適應高精度光源追蹤

圖4.MXene-LCE驅動器基于反饋回路的向光性機理

作為概念驗證演示，作者設計并制備了基于MXene-LCE管狀驅動器的人工向日葵，能夠實時迅速追蹤不斷變化的非聚集光源。作者進一步將MXene-LCE管狀驅動器與商用太陽能電池板集成，制備了具有優異的光跟蹤能力的自適應光伏系統（如圖5所示）。與非向光系統相比，所制備的向光性光伏系統能夠始終保持光源垂直入射，從而獲得最大的光電轉化效率，顯著提高太陽能收集效率。該研究有望為自適應光電子學、先進太陽能捕獲系統以及智能感知軟體機器人的發展提供新的思路和實驗指導。

相關成果以題為“Bioinspired Phototropic MXene-Reinforced Soft Tubular Actuators for Omnidirectional Light-Tracking and Adaptive Photovoltaics”在國際權威期刊《Advanced Functional Materials》上發表。天津大學為本論文第一單位，論文第一作者為天津大學碩士研究生楊夢園，論文通訊作者為天津大學王玲教授，封偉教授和東南大學李全院士。相關研究獲得國家自然科學基金等項目支持。

圖5.仿生向日葵和自適應光伏太陽能收集器件

文章信息：Mengyuan Yang, Yiyi Xu, Xuan Zhang, Hari Krishna Bisoyi, Pan Xue, Yanzhao Yang, Xiao Yang, Cristian Valenzuela, Yuanhao Chen, Ling Wang*, Wei Feng* and Quan Li*. Bioinspired Phototropic MXene-Reinforced Soft Tubular Actuators for Omnidirectional Light-Tracking and Adaptive Photovoltaics.Advanced Functional Materials, 2022, 2201884.

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202201884