智能材料系统能够响应光、磁场等外界刺激，实现可编程形变、力学性能调控及复杂任务执行，在软体机器人、柔性电子器件和自适应系统等领域具有广阔的应用前景。随着智能材料系统向多功能化和复杂化发展，如何在赋予其智能响应能力的同时实现材料循环利用，成为推动相关技术可持续发展的重要问题。近年来，研究人员已开发出多种兼具刺激响应和可循环回收性能的智能材料。然而，从“可回收的智能材料”发展到“可回收的智能材料系统”，仍面临新的挑战。软体机器等复杂器件通常由具有不同形态、力学性能和功能的多个异质部件组成。传统设计往往需要不同材料分别承担支撑、驱动、粘合等作用，不同材料的响应机制可能相互干扰；当器件报废时，紧密结合的异质组分又难以彻底分离，容易在回收过程中发生交叉污染。因此，如何在同一复杂系统中协调多种智能功能与材料回收，是该领域亟待解决的关键难题。

  针对上述挑战，中国科学技术大学吴思教授团队提出利用正交可逆化学（orthogonal reversible chemistry）构筑可回收智能材料系统的新策略。研究团队将偶氮苯（AZO）的可逆光异构化与钌（Ru）配合物的可逆金属-配体配位相结合，构建了可在四种不同状态之间切换的聚合物材料P1-Ru1。不同状态的P1-Ru1分别表现出刚性、柔韧性、溶解性和粘合性等不同特征，可作为结构支撑、形变驱动和连接部件，进一步构建形状记忆材料、驱动器、力学超材料、抓取装置、折叠器件及软体机器。由于这些功能部件具有相同的化学来源，可在设计的条件下实现统一回收和再加工，从而将复杂系统的智能响应与可回收性有机结合。

  2026年10月13日，相关成果以“Orthogonal reversible chemistries affording multistate photoswitching in polymers for recyclable intelligent material systems”为题发表于《Advanced Materials》。吴思教授是该论文的唯一通讯作者，张大川博士为第一作者，中科大为第一单位。

  研究团队结合偶氮苯的光致异构和钌配合物的金属-配体配位开发了一种新的正交可逆化学体系。偶氮苯（AZO）作为经典的光响应分子，能在不同波长光照下发生可逆的E-Z异构化转变；特定钌配合物光照可促使配位配体被游离配体所取代，而通过加热处理则能实现金属-配体配位的逆向恢复。该设计的关键并不是简单叠加两种光响应功能，而是使光异构化和配位交联在特定操作条件下沿不同路径独立进行。研究团队将含有偶氮苯基团和氰基（CN）配位基团的无规共聚物P1与钌络合物（Ru1）结合可制备得到可回收的智能材料（P1-Ru1），该材料能借助新型正交可逆化学体系在四种不同状态间自由切换，四种状态分别为Crosslink-E， Crosslink-Z， Decrosslink-E和 Decrosslink-Z。这些状态被巧妙地用作多功能组件，以构建包括形状记忆材料、致动器、机械超材料、抓取器、折叠装置及软体机器人在内的多种可回收智能材料系统。在智能系统中采用同一材料的不同状态作为独立组件，有效避免了智能响应与可回收性之间的交叉干扰，实现了“一锅法”无交叉污染的回收过程。

图1. 正交可逆化学实现聚合物多状态切换及可回收智能材料系统的设计原理。(a) 偶氮苯的可逆E-Z光异构化；(b) 钌配合物的可逆金属-配体配位反应；(c) 含偶氮苯和氰基的聚合物P1及交联剂Ru1的化学结构；(d) P1-Ru1在Crosslink-E、Crosslink-Z、Decrosslink-E和Decrosslink-Z之间的切换；(e) 利用P1-Ru1的不同状态构筑驱动器、力学超材料、抓取装置、折叠器件及软体机器。Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

1. 使用正交可逆化学设计多状态材料

  研究团队系统验证了P1-Ru1在四种状态之间的可逆转换（图2）。首先是Crosslink-E和Crosslink-Z之间的可逆切换，在365 nm和530 nm光交替照射下，交联态材料中的偶氮苯发生可逆E-Z异构化，引起薄膜颜色和力学性能的变化。拉伸测试显示，Crosslink-E具有较高刚性，而Crosslink-Z表现出良好的可拉伸性。这主要归因于偶氮苯异构化使聚合物P1的玻璃化转变温度由约70 ℃降至-5 ℃，从而实现材料由玻璃态向橡胶态的转变。其次是Crosslink-E和Decrosslink-E之间的可逆切换，在配体竞争环境中，505 nm光照可诱导CN-Ru配位键解离，而加热可使配位键重新形成，以此实现交联-解交联的可逆切换，傅里叶变换红外光谱证实了CN-Ru配位键的可逆变化，同时交联与解交联过程也引起材料力学性能的改变，为材料回收与重构提供了基础。然后是Decrosslink-E与Decrosslink-Z之间的可逆切换，研究团队发现，365 nm光照可诱导解交联材料中的偶氮苯发生E到Z的转变，进而发生光致固液转变，而530 nm光照可使其恢复。利用这一特性，材料表现出可切换的粘合性能。最后，研究团队还证明了在同时施加365nm和505nm辐照的情况下，Crosslink-Z能够向Decrosslink-Z单向转变。

  此外，研究证实，固态薄膜中偶氮苯的光异构化不会影响CN-Ru配位状态，而可逆交联过程也不会干扰偶氮苯异构化。这表明，通过调控光照波长、反应环境及反应路径，两种可逆化学过程能够实现正交控制，从而赋予P1-Ru1独立可调的力学性能、溶解性和粘合性能。

图2. 基于正交光异构化与金属-配体配位作用实现的四态切换。 (a-c) Crosslink-E与Crosslink-Z 之间的可逆切换。Crosslink-E 薄膜在光照前、经 365 nm 光照射后及随后经 530 nm 光照射后的实物照片 (a) ，紫外-可见吸收光谱 (b) 和应力-应变曲线 (c)。(d-f) Crosslink-E与Decrosslink-E之间的可逆切换。可逆交联过程的实物照片 (d) ，以及原始Crosslink-E、Decrosslink-E 和回收的Crosslink-E的傅里叶变换红外光谱 (e) 和应力-应变曲线 (f)。 (g-i) Decrosslink-E与Decrosslink-Z之间的可逆切换。三角形 Decrosslink-E 样品在光照前后的光学显微镜图像 (g)，Decrosslink-E 薄膜在光照前后的 紫外可见吸收光谱 (h) ，以及采用 Decrosslink-E粘合的两块石英基底在光照前，经 365 nm 光照射后及随后经 530 nm 光照射后的力-位移曲线 (i)。(j)  Crosslink-Z向Decrosslink-Z转变过程的实物照片。Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

2. 可回收的形状记忆聚合物

  研究团队利用正交可逆化学反应设计了一种兼具形状记忆功能与可回收性的聚合物体系（图3）。研究团队首先以365 nm光将Crosslink-E长条转化为柔韧的Crosslink-Z，随后将其弯曲为圆环，并通过530 nm光照使材料恢复较高刚性，从而固定临时形状。再次照射365 nm光后，圆环能够恢复为原先的长条形状。实验展示了连续六次形状固定与恢复循环，证明了材料的可重复光控形状记忆能力。

  更重要的是，形状记忆功能并未妨碍材料回收。研究人员将使用后的Crosslink-E切碎，在配体竞争环境中通过505 nm光照实现解交联，再经加热成型重新获得Crosslink-E。回收后的材料仍能完成光控形状记忆过程；连续三次回收后，其化学结构基本保持不变。力学测试还表明，经过六次回收后，材料的拉伸强度与杨氏模量基本保持稳定。上述结果表明，通过将两种正交可逆化学过程相结合，可以赋予聚合物形状记忆功能与可回收性，实现材料功能性与可持续利用的有效结合。

图3. 基于P1-Ru1的可回收光控形状记忆聚合物。(a) 光控形状固定与恢复过程；(b) 六次形状记忆循环中的弯曲角度变化；(c) 形状记忆聚合物的解交联回收再生过程；(d-f) 原始与回收材料的傅里叶变换红外红外光谱 (d)，应力-应变曲线 (e)，拉伸强度及杨氏模量 (f)。Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

3. 多组分可回收驱动器与力学超材料

  研究团队进一步将P1-Ru1的四种状态作为不同功能部件进行集成，构筑可回收的多组分驱动器和力学超材料（图4）。研究团队利用Decrosslink-Z作为粘合层，将两个Crosslink-E部件连接起来，再通过530 nm光照固定结构。获得的三明治结构具有133.26 N m?1的界面韧性和2.92 MPa的剪切强度，表明由同一材料的不同状态构成的功能部件能够实现有效组装。

  在此基础上，研究人员利用Decrosslink-Z作为粘合部件，将Crosslink-E和预拉伸的Crosslink-E组合在一起，制备了光驱动器。当受到365 nm光照时，预拉伸部件发生软化并释放储存的形变，使整体结构由平直状态转变为弧形。通过改变组件的组合和布局，还可获得由平直状态变为S形的驱动器。由于这些部件均来自P1-Ru1，它们在使用后可通过“一锅法”解交联并统一回收，再用于构建新的驱动器。团队还利用多个 P1-Ru1 功能组分构建了具有复杂结构的力学超材料。该超材料不仅能够实现光控形状变化，还可通过形状调节实现力学性能的可控调节，展示了 P1-Ru1 在构筑可编程、可回收智能力学超材料方面的应用潜力。

图4. 基于正交可逆化学构筑的可回收多组分驱动器与力学超材料。 (a)构建三明治结构的过程及其界面处的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。 (b) 三明治结构的剥离测试。 (c) 由 P1-Ru1 多种状态组装而成的驱动器的形状变化及回收再生过程。 (d) 超材料方形单元的制备及其形状变化。 (e) 该单元在两种不同形状下的力-位移曲线。 (f) 力学超材料形状编程过程的示意图。 (g) 在顺序紫外光照控制下逐步实现形状恢复的实物照片。 (h) 力学超材料在四种不同形状下的力-位移曲线。Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

4. 多组分异质结构的可回收智能材料体系

  除了由同一种聚合物的不同状态组成器件，实际智能材料系统往往还需要与金属、塑料或磁性材料相结合。为拓展这一策略的适用范围，研究团队利用解交联态P1-Ru1的粘合性实现了不同材料之间的异质组装。实验表明，该材料能够用于粘合玻璃、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、金属、磁体、硅、纸张及陶瓷等多种基底（图5）。研究团队利用Decrosslink-Z作为粘合部件，将Crosslink-E，预拉伸的Crosslink-E和聚酰亚胺组件组合，制备了光控抓取装置。在365 nm光照下，器件能够发生预设形变，完成对物体的抓取、转移与释放。完成任务后，团队回收其中的P1-Ru1材料，并将回收所得聚合物与金属组件重新集成，制备出光控折叠器件。

  这一结果表明，基于 P1-Ru1 的异质材料集成策略不仅能够实现复杂多组分智能器件的构筑，还可通过材料回收与重新组装实现不同功能器件之间的转换，展现出其在可重构、可回收智能材料体系中的应用潜力。

图5. P1-Ru1与异质材料集成构筑可回收智能装置。(a) P1-Ru1用于异质材料粘合的示意图。(b) P1-Ru1与玻璃、聚酰亚胺、PET、金属、磁体、硅、纸张和陶瓷等材料的界面粘合性能；(c, d) 光控抓取装置的结构及抓取、转移和释放过程；(e, f) 回收聚合物与金属重新组装成折叠器件及其逐步光控折叠过程。Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

5. 多组分异质材料构建的用于水下任务的可回收软体机器

  为进一步验证这一材料策略在复杂任务中的应用潜力，研究团队将不同状态的P1-Ru1与钕铁硼磁体进行集成，构筑了可回收的软体机器（图6）。其中，光照负责调控机器的形状，外部磁场负责驱动其运动与姿态变化，使不同刺激分别作用于器件的形变功能和运动功能。

  研究团队设计了包含多个挡板的水中任务环境。软体机器首先在磁场引导下沿水面运动并越过第一道挡板；随后通过365 nm光照触发形变，使机器进入水中，并在磁场控制下穿过第二道挡板，抵达目标物体所在区域；之后，软体机器完成物体捕获、运输和指定位置释放等一系列操作。实验展示了多部件系统在复杂环境中协同完成任务的能力。完成任务后，其中的P1-Ru1部件仍可通过可逆配位反应进行回收和重构。

  此外，研究团队还在支撑材料中展示了可逆变形软体机器，包括通过光与磁场共同控制形状变化的结构，以及将P1-Ru1与聚氨酯、铜导体集成、利用365 nm和530 nm光控制电路的多组分器件。这些结果进一步证明了该设计在构筑多功能、可重构智能材料系统方面的适用性。

图6. 用于水中任务的可回收异质结构软体机器。(a)不同状态P1-Ru1与磁体集成制备软体机器；(b) 紫外光诱导形变及磁场驱动运动；(c) 软体机器中P1-Ru1部件的回收和重构；(d, e) 软体机器在水环境中运动、货物抓取、运输及释放过程的示意图和实物照片。Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

  综上所述，吴思教授团队证实了偶氮苯的光异构化与 Ru 配合物的金属-配体配位作用可作为一种新的正交可逆化学过程，用于构建可回收形状记忆聚合物、驱动器、力学超材料、抓取器、折叠器件及软体机器。不同于传统的动态共价化学、超分子化学及其他可逆化学策略主要用于设计常规可回收材料，本研究提出的正交可逆化学策略能够进一步实现具有多组分及异质结构的可回收智能材料体系的构筑。这一设计原理为构建结构复杂、功能多样的多组分智能材料体系提供了新的途径，使材料能够在避免不同组分之间相互干扰及交叉污染的同时实现高效回收与再利用。我们期待未来能够开发更多类型的正交可逆化学体系，并将其拓展至不同应用领域。正交可逆化学策略为新一代软体机器人、柔性器件及自适应系统的开发开辟了新的方向，有望推动可持续高技术应用领域的发展。

  该研究得到国家自然科学基金、合肥市自然科学基金、中国科学技术大学“双一流”建设研究经费及中国科学技术大学化学国家高层次人才培养中心等项目与平台的支持。

  吴思教授团队的研究方向为光响应高分子、光刻胶。团队长期招聘具有光刻胶、光刻技术、高分子化学、高分子物理、结构表征方法、精密仪器、光学、有机合成、金属配合物、材料化学、光化学和纳米材料背景的博士后。感兴趣的申请人请直接电子邮件联系吴思教授（siwu@ustc.edu.cn）。

  论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.75380