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  近日，賓夕法尼亞大學(xué)Shu Yang（楊澍）教授團(tuán)隊(duì)在材料科學(xué)頂刊《Advanced Materials》發(fā)表了以“Multi-Mode Mechanochromic Responses from Cholesteric Liquid Crystal Elastomer Tubes of Uniform Sheath“為題的最新研究成果（Adv. Mater.2025, 2504461）：開(kāi)發(fā)了一種亞毫米尺度的膽甾相液晶彈性體（CLCE）空心微管，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同模式機(jī)械刺激的多模式力致變色響應(yīng)。這種材料不僅具有顯著的顏色變化靈敏度，還可靈活適用于軟機(jī)器人、自適應(yīng)顯示器、穿戴式傳感器和小型光譜儀。本文通訊作者為Shu Yang（楊澍）教授，共同第一作者為Jong Bin Kim（???）和Shangsong Li（李尚松）。

  結(jié)構(gòu)色是通過(guò)材料表面特定周期性微觀結(jié)構(gòu)對(duì)光的干涉、衍射或散射作用產(chǎn)生的顏色，不依賴于色素或染料。近年來(lái)，能夠?qū)ν饨绱碳ぃㄈ缌Α�、濕度）產(chǎn)生快速顏色變化的結(jié)構(gòu)色材料逐漸受到科研界和工業(yè)界的關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的力致變色材料通常限于薄膜或纖維形式，表現(xiàn)出有限的響應(yīng)模式。為解決這一限制，賓夕法尼亞大學(xué)材料科學(xué)與工程系的研究人員利用膽甾相液晶彈性體（CLCE）研發(fā)出一種創(chuàng)新性的亞毫米級(jí)均勻空心微管（圖1）。

圖1：力致變色CLCE微管。a）CLCE微管的制備示意圖（第一行），對(duì)應(yīng)的反射光學(xué)顯微鏡（OM）圖像（第二行），以及偏振光學(xué)顯微鏡（POM）圖像（第三行）。I：填充CLCE前驅(qū)體30分鐘后；II：I狀態(tài)下立即注入空氣后；III：II狀態(tài)后1分鐘；b）圖a所示三個(gè)狀態(tài)下CLCE微管的反射光譜；c）彈性通道中注入空氣的橫截面示意圖；d）CLCE微管的橫截面OM圖像（i）和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（ii）。

  研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用剪切作用，在彈性微通道內(nèi)將高黏度CLCE前驅(qū)體塑造成均勻的管壁結(jié)構(gòu)，克服了重力和不穩(wěn)定性的干擾。與傳統(tǒng)的固體纖維相比，該微管表現(xiàn)出更快速、更高反射率的色彩響應(yīng)。這種CLCE微管能夠在拉伸與充氣條件下產(chǎn)生軸向、周向和徑向的多維度應(yīng)變，呈現(xiàn)出高度靈敏的變色效果。

  研究團(tuán)隊(duì)展示了通過(guò)將五根CLCE微管進(jìn)行不同的排列組合，并結(jié)合拉伸、充氣、彎曲等多種力致變色響應(yīng)模態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全部26個(gè)英文字母的結(jié)構(gòu)色顯示（圖2）。這一系統(tǒng)利用了CLCE微管在多維應(yīng)變下色彩變化的可控性，使得每個(gè)字母都能通過(guò)精確調(diào)控變形狀態(tài)而呈現(xiàn)出不同顏色，為可重構(gòu)的反射式光學(xué)顯示提供了新的思路。

圖2：可重構(gòu)的結(jié)構(gòu)色字母反射顯示裝置。a）由五根CLCE微管構(gòu)成的字母顯示系統(tǒng)的示意圖，其結(jié)構(gòu)可通過(guò)插針與進(jìn)氣口的移動(dòng)進(jìn)行重構(gòu)；b）照片展示了系統(tǒng)的不同狀態(tài)：i）初始狀態(tài)，顯示近紅外顏色；ii）通過(guò)單一充氣實(shí)現(xiàn)的單色“A”字母；iii）通過(guò)充氣實(shí)現(xiàn)的多色“A”；iv）通過(guò)充氣與拉伸組合實(shí)現(xiàn)的“M”；v）通過(guò)進(jìn)氣口移動(dòng)與充氣組合實(shí)現(xiàn)的“X”；vi）通過(guò)彎曲（插針移動(dòng)）與充氣組合實(shí)現(xiàn)的“P”；c）照片展示了通過(guò)圖a所示四種顏色調(diào)控方式組合生成的其余字母。

  此外，將這種微管纏繞在不同曲率的3D物體表面上，能夠形成對(duì)環(huán)境曲率變化高度敏感的三維光子皮膚（圖3）。微管在不同彎曲狀態(tài)下表現(xiàn)出不同程度的預(yù)應(yīng)變和變色靈敏度，使得整個(gè)系統(tǒng)在充氣或形變過(guò)程中展現(xiàn)出全方位可見(jiàn)、區(qū)域可編程的結(jié)構(gòu)色分布。這一特性不僅展示了材料在光學(xué)顯示方面的靈活性，也為可穿戴設(shè)備和復(fù)雜形狀界面的智能感知與反饋提供了新可能，從而進(jìn)一步擴(kuò)展了這種新型材料的應(yīng)用潛力。

圖3：力致變色的三維光子皮膚。a）CLCE微管纏繞在三維物體上的示意圖，展示其可實(shí)現(xiàn)全方位可見(jiàn)的結(jié)構(gòu)色；b, c）微管在充氣狀態(tài)下分別處于低曲率（b）和高曲率（c）時(shí)的彎曲形態(tài)示意圖；d）一個(gè)3D打印圓錐體，自上視角和側(cè)視角觀察其在不同充氣壓力下，纏繞的紅色CLCE微管所產(chǎn)生的顏色變化；e）一個(gè)3D打印圓柱體，纏繞有三根綠色光子微管（編號(hào)為1、2、3），通過(guò)選擇性充氣實(shí)現(xiàn)多重信號(hào)顯示；f）一個(gè)3D打印花瓶，在充氣過(guò)程中紅色CLCE微管被粘附固定于瓶身，不同部位的曲率造成顏色響應(yīng)差異。

  本研究的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)單一材料即可實(shí)現(xiàn)多模式響應(yīng)，不僅降低了制造復(fù)雜性和成本，還提高了結(jié)構(gòu)色材料在實(shí)際應(yīng)用中的靈活性和適應(yīng)性。該研究通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，深入探討了材料各向異性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的內(nèi)在關(guān)系，提出了新型的結(jié)構(gòu)色材料設(shè)計(jì)理念，并成功實(shí)現(xiàn)了多模式高靈敏力致變色的突破性進(jìn)展。

  賓夕法尼亞大學(xué)楊澍團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究成果開(kāi)辟了結(jié)構(gòu)色材料應(yīng)用的新領(lǐng)域，展示了液晶彈性體微管在智能化、多功能傳感和顯示技術(shù)中的巨大潛力。

  論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202504461?af=R