北大杨槐教授/江西师大兰若尘特聘教授团队《AM》综述: 生物启发的力致变色液晶材料——从基础到功能与应用

颜色在自然界和人类社会中扮演着至关重要的角色，它们不仅美化了我们的世界，还在沟通、识别物体和感知环境等方面发挥着关键作用。颜色的产生可分为颜料色和结构色两大类。色素色通过物质对白光的选择性吸收而形成，具有明显的对比度和鲜艳的色彩。而结构色则源于周期性纳米结构与光的相互作用。变色材料以其卓越的刺激响应性、可调性和设计灵活性，超越了传统的静态颜色材料。

力致变色液晶材料对力的感应极为灵敏，仅需通过简单的按压或拉伸来触发颜色变化，操作简便。这种材料的颜色变化具有高度的稳定性，不受环境因素如光、湿度和温度的影响。此外，力致变色液晶材料的颜色变化与形状变形同步发生，使其在应力和运动检测方面具有独特的应用前景。

近日，北大杨槐教授/江西师范大学兰若尘特聘教授团队在《Advanced Materials》上发表综述论文，总结了力致变色液晶材料的最新研究进展，归纳了目前力致变色液晶材料变色机理及其在各个领域的潜在应用，并对该领域的发展进行了展望。

示意图 1 机械变色液晶材料原理图：机理与应用

实现力致变色液晶材料的机械变色可以通过两种通用策略完成。第一种策略涉及将可交联分子交联到液晶弹性体（LCE）网络中，利用LCE在可逆驱动过程中功能分子的断裂或异构化来诱导颜色变化，这不仅为材料提供了直观检测应力集中的能力，而且为应力可视化提供了新的机会。近年来，对于力响应性生色团的研究已经非常广泛，涵盖了螺吡喃（SP）、罗丹明（Rh）和四芳基琥珀腈（TASN）等类型。

图1 a) 螺吡喃基聚合物在应力作用下的变色机理示意图。b) PMA-1-PMA和c) 对照样品PMA-2在拉伸前后的照片。d) LCE薄膜的力致变色机制示意图。e) 样品SP-LCE在0%和100%伸长状态下的照片。f) 样品SP-LCE在不同伸长状态下的吸收光谱图。g) 样品NP-SP-LCE在不同伸长状态下的吸收光谱图。h) 样品NP-SP-LCE在0%和100%伸长状态下的照片。

图2 a) 罗丹明（Rh）及其受力或光激活状态的化学结构。b) 罗丹明-羟基（Rh-OH）粉末在紫外光照射和阳光下研磨以及在365纳米紫外光下的照片。c) 不同压力下薄膜的荧光光谱图。d)多层力致变色薄膜制备示意图。e) VHB（一种粘合剂）、LCE（液晶弹性体）和VHB/LCE/VHB三层薄膜的应力-应变曲线。f) 在薄膜底层绘制三色图案的梯形力致变色薄膜的照片。比例尺表示1厘米。

图3 a) TASN-LCE响应刺激引起颜色变化的示意图。b) 类似枫叶形状的TASN-LCE薄膜在机械挤压前后的照片。c) TASN-LCE在30至100摄氏度温度范围内的紫外-可见光吸收光谱。d) 类似枫叶形状的TASN-LCE薄膜在挤压前后的EPR谱图。e) 在室温下分别放置0分钟、10分钟、30分钟、1小时和4小时后，自愈的TASN-LCE薄膜的EPR谱图。f) 原始TASN-LCE薄膜以及在不同自愈时间后自愈的TASN-LCE薄膜的应力-应变曲线图。

第二种策略相对简单直接，通过将手性液晶与弹性体结合制备力致结构色变色液晶材料。手性液晶具有独特的手性螺旋纳米结构，显示化学稳定性高、抗退色性稳定的结构色。在力致结构色变色液晶材料发生形变时，由于手性螺旋纳米结构的改变，会触发结构色的变化。手性液晶可以根据维度分为一维（1D）螺旋结构液晶，如胆甾液晶（CLC）和纤维素纳米晶（CNCs），以及三维（3D）液晶，如蓝相液晶（BPLCs）。

图4. 多轴拉伸下CLCEs光学变化的示意图。a) 在非对称单轴拉伸和 b) 对称双轴及平面外拉伸下CLCEs的螺旋结构变化。c) 在单轴拉伸CLCEs的应变条件下，通过右旋（上）和左旋（下）圆偏振片拍摄的照片。d) 在交叉偏振器下，单轴拉伸CLCEs在0%，14%，和50%的线应变的POM图。e) 在双轴拉伸CLCEs的应变条件下，通过右旋（上）和左旋（下）圆偏振片拍摄的照片。f) 在交叉偏振器下，双轴拉伸CLCEs在20%和50%的线应变下的POM图。

图5 a) 蓝相-I晶格典型变形的示意图。b) [011]取向一致的片状结构样本的透射光谱。c) 定义为l(λ)函数最小值的最大选择性反射波长λmax，随孔径宽度d变化的图示。插图：展示实验设置几何结构的示意图。d) 未受应变和40%受应变的BPII液晶弹性体（LCE）从相机方向照射的照片。

通过这两种机制制备的力致变色液晶材料，在推动下一代智能材料发展方面展现出巨大潜力。力致变色液晶材料因其对机械力的敏感响应，为仿生材料、传感器、信息加密和防伪技术等领域带来了广泛的应用可能性。目前，力致变色液晶材料的发展仍处于初期阶段，要实现其广泛应用，还需克服若干挑战。首先，开发简便的分子机器合成方法，其次，需要探索新的策略来制备高稳定性和可预测颜色变化的力致变色结构色薄膜。最后，需要探索力致变色材料与电子设备及智能控制系统的整合。

图6 a) MCLCE膜片在平面弯曲时的颜色变化。b) 使用MCLCE膜片实现空间重量分布的可视化。比例尺表示1厘米。c) 重量分布传感器。

图7 a) 不同伸长率下BLCE样品的照片。b) CIE 1931颜色空间图表，比较在相同拉伸条件下BLCE样品与CLCE样品的颜色范围。c) 天然头足类动物的伪装

图8 a) 多功能电子皮肤附着在人手指上的应用，能够检测温度、压力和张力。b) 使用大面积HPC光子皮肤检测人体动作和姿势。c) 光子皮肤附着在模型板和模型缆上，在不同弯曲应变下的颜色响应。

图9 a) 通过LDPE管生产CLCE纤维的示意图。b) CLCE纤维的力致变色响应。比例尺代表20微米。c) 不同结的力致变色应变可视化。

这一工作近期以“Bioinspired Mechanochromic Liquid Crystal Materials: From Fundamentals to Functionalities and Applications”在线发表在国际顶尖材料学期刊《Advanced Materials》（DOI：10.1002/adma.202403766），江西师范大学硕士研究生陈欣雨为该工作的第一作者，北京大学杨槐教授和江西师范大学兰若尘教授为此工作的共同通讯作者。

来源：高分子科学前沿

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