北大杨槐团队合成新型光敏手性分子，调配出反射颜色可随温度变化的胆甾相液晶基体

绚丽的颜色是我们日常生活中的重要组成部分。一般来说，材料的颜色是通过添加不同的染料实现的，然而，部分染料具有毒性，并且长时间使用后容易被漂白。这些缺点使有色染料不再适用于目前的新兴技术（如防伪、信息加密等），在日常生活中对人们的健康也具有一定危害。科学家们发现，自然界许多具有彩色外表的动植物并不具有色素，其绚丽的表皮颜色来源于精细的纳米结构对光的选择性反射。

在这种自然现象的启发下，人们成功制备了基于精细结构而不依赖有色染料的彩色材料，被称为光子晶体材料。这种新型材料不存在被漂白的缺点，无需考虑生物毒性。目前，光子晶体材料已经广泛的应用在了防伪、装饰、信息加密等领域。

在众多种类的光子晶体材料中，胆甾相液晶是最具有研究潜力的材料之一。液晶是一种兼具晶体各向异性和液体流动性的物质。通过在液晶材料中加入手性分子，就能得到在特定状态下呈现选择性反射的胆甾相液晶。作为一种光子晶体，这种材料的优点是制备简单，易于调控。

通过引入一些刺激响应型的手性分子，就能在外场刺激下调控胆甾相液晶的周期性纳米结构，从而改变胆甾相液晶选择性反射的波长。人们发现，将胆甾相液晶的选择性反射波长调控至可见光波段，就能通过外场刺激对材料呈现的颜色进行调节。

胆甾相液晶是一种液体，其周期性结构能够通过分子协同运动被调控，从而呈现不同的颜色。但这种流动性带来的缺点是：周期性结构非常容易在外界干扰或自身流动时被破坏，导致颜色消失。如果将胆甾相液晶聚合成固态的高分子材料，就能够稳定其周期性结构，使其具有稳定的颜色。但是固态的胆甾相液晶高分子的周期性结构很难再被调控，只能维持在一个固定状态。这一矛盾极大地限制了胆甾相液晶的实用化。

为了解决这一问题，北京大学材料学院教授团队提出了如下设计理念：首先，通过局部光照或加热，将液体状态的胆甾相液晶调控至任意所需要的多彩图案，然后再通过另一种刺激将调控后的材料固化，消除其流动性，使其成为具有任意多彩图案的胆甾相液晶高分子薄膜。然而，目前现有的大部分体系中，刺激响应型手性分子的调控与材料的固化同时发生，不能实现上述设计理念。在本项工作中，研究者合成了新型的光敏手性分子，并调配了一种反射颜色随温度变化的胆甾相液晶基体。将二者复合后，只需简单的加热和光照，就能制备具有任意多彩图案的胆甾相液晶高分子薄膜。这种薄膜材料将在彩色光子晶体标签、防伪等领域展现实际应用潜力。

4 月 10 日，相关论文以《由胆固醇接枝光驱动分子马达实现的独立式螺旋纳米结构手性光子晶体薄膜和防伪标签》（）为题，发表在 Small Methods 上。

审稿人认为，这项工作提出了一种能够通过光照和加热制备彩色胆甾相液晶高分子光子晶体薄膜的方法，在信息加密和防伪技术等方面具有实际应用潜力，是一项非常有创新性的工作。

本项研究工作是基于课题组前期在光控手性分子方面取得的一系列原创性成果，虽然研究人员在这种功能性手性分子的合成方面具有一定的经验，但始终未能解决这种分子与液晶基体的相容性的问题。在这一限制下，其研究主要聚焦于小分子的胆甾相液晶，无法将其制备成为具有实用价值的高分子材料。

在后续的研究中，该团队希望通过分子的结构修饰解决这一问题。在本项工作中，他们合成了具有胆固醇接枝的光敏手性分子，胆固醇基团的引入使手性分子在液晶中的溶解性相较于之前的最高数值增大了三倍。在对分子进行光热动力学表征时，研究人员惊喜地发现，由于接枝胆固醇造成的共轭结构变化，这种分子的吸收峰红移到了可见光波段。之前的研究工作中，该光敏手性分子需要用高能量密度的紫外光进行激发。而对于本项工作中的新型分子，可以通过 420nm 的蓝紫光进行激发。

在这些研究基础上，研究人员预测：或能利用这种分子解决传统体系中光调控和光固化必须同时发生的问题。为此，他们将这种光敏手性分子引入液晶，制备成具有光响应的胆甾相液晶。为了提高胆甾相液晶的变色能力，其使用了具有温敏变色的氢键液晶作为基体。本项工作的实验结果验证了起初的猜想，基于此实现了通过光照和加热制备任意彩色图案的胆甾相液晶高分子薄膜。这项工作为高分子光子晶体材料的实际应用提供了新的指导和思路。

利用本项研究提出的光子晶体材料及其制备方法，有望制备无染料的光子晶体彩色标签。这种标签的色彩具有角度依赖性和圆偏振性。与此同时，这种材料的制备成本并不会明显高于现有的商用产品。这种奇特性质使这种光子晶体标签在商品防伪、货架标签、装饰品等领域具有十分广阔的应用前景。

该工作的第一作者是北京大学材料学院博士生保金映。这名毕业于北京科技大学的云南女孩具有十分刻苦的品质和韧性。通常对于功能分子的有机合成过程是十分艰苦的，该课题组也很少有女生坚持下来。在本项工作确定研究方案后，面临工作量巨大的长步骤有机合成，她并没有因此退缩，在实验过程中克服了许多困难，例如有机溶剂对皮肤的损害、提纯过程的反复冗长等等。她的持之以恒和不畏难是这项工作能够顺利完成的关键。

在后续研究中，研究人员将以这种新型光学材料为基础，探索具有更复杂功能的光学薄膜和器件的制备方法。后续的研究工作有望在提升现有的商用液晶显示器、信息存储器件等产品方面发挥作用。

研究人员最后表示：“本项工作的开展得益于北京大学材料学院杨槐教授的悉心指导和支持。作为本研究团队的负责人，教授能敏锐准确的把握有价值的研究方向，具有活跃的思维和开阔的思路。更为重要的是，杨槐教授一直保持着勤奋钻研的工作态度，以认真负责的态度指导每一位学生，为整个研究团队树立了良好的榜样。”

-End-

参考：
1、Bao, J., Wang, Z., Shen, C., Huang, R., Song, C., Li, Z., ... & Yang, H. (2022). Freestanding Helical Nanostructured Chiro‐Photonic Crystal Film and Anticounterfeiting Label Enabled by a Cholesterol‐Grafted Light‐Driven Molecular Motor. Small Methods, 2200269.