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  近日，賓夕法尼亞大學(xué)Shu Yang（楊澍）教授團隊和圣母大學(xué)Yanliang Zhang（張艷良）教授團隊在材料科學(xué)知名期刊《Matter》發(fā)表了以“Aerosol-based combinatorial printing of cholesteric liquid crystal elastomers with tunable and pixelated structural colors”為題的最新研究成果（Matter 2026, 9, 102495）。自然界的結(jié)構(gòu)色（如變色龍、章魚）之所以迷人，關(guān)鍵在于微米級像素與連續(xù)梯度共同編織出的動態(tài)色彩。如何把這種“像素+梯度”的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在柔性材料上一次成形并且可大面積、可彎曲、能應(yīng)變顯色？本研究利用氣溶膠組合打�。�Combinatorial Aerosol Printing, CAP），在基于手性向列型液晶彈性體（CLCE）的體系中，實現(xiàn)≈15 μm 線寬、1.1 μm 厚度的高保真像素化結(jié)構(gòu)色，并可在打印過程中動態(tài)混墨形成連續(xù)配比梯度，做到顏色和模量雙可編程；圖案還能直接覆蓋到各種曲面（易拉罐、青蛙/人臉模型、硅膠變色龍皮膚等）。團隊進一步展示了可隱顯的加密圖案、可被手機識別的彩色二維碼，以及無需電學(xué)讀出的可穿戴應(yīng)變手套。本文共同通訊作者為Yanliang Zhang（張艷良）教授和Shu Yang（楊澍）教授，共同第一作者為Shangsong Li（李尚松）和Kaidong Song（宋凱東）博士。

方法與核心進展

  CAP 屬于氣溶膠打印的多油墨變體：研究團隊將配方不同的 CLCE 前驅(qū)體霧化后在噴頭內(nèi)同步輸運并原位混合，落到加熱基底后迅速干燥并固化，從而在像素尺度上連續(xù)調(diào)控手性摻雜與交聯(lián)密度。借助這一過程控制，作者實現(xiàn)了線寬約 15 μm、膜厚約 1.1 μm 的連續(xù)條帶與像素圖案，分辨率接近該類工藝的物理極限，高于以往擠出或模壓得到的 CLCE 圖案；同時打印出的多色二維碼可被智能手機直接讀取，體現(xiàn)了高保真度與數(shù)據(jù)承載能力。

圖1. CAP打印CLCE的示意圖，與其他打印方法的對比，以及打印漸變色/像素的示例。

為何能做得“細、準、均一”

  作者指出，所用 10 wt% CLCE 墨水黏度約 10-20 mPa·s，在相關(guān)剪切速率下近似牛頓流體，有利于穩(wěn)定霧化與快速溶劑蒸發(fā)；與加熱基底配合，可在秒級完成從液態(tài)到固態(tài)膽甾相的轉(zhuǎn)變，避免了旋涂與擠出中常見的流動擾動與取向不均，從而獲得更高的顏色飽和度與圖案邊界清晰度。該過程主要通過干燥動力學(xué)而非剪切取向來決定螺旋軸排列，這也是成膜均一和顯色穩(wěn)定的關(guān)鍵。

顏色與“軟硬”雙可編程

  在 CAP 中改變手性摻雜比例即可調(diào)控膽甾螺距 p，按布拉格條件 λ = n·p·cosθ 精確設(shè)定反射峰位置，使得不同像素呈現(xiàn)不同顏色；進一步通過調(diào)整丙烯酸/巰基當量比寫入不同的交聯(lián)密度，使像素在楊氏模量上跨越數(shù)量級變化。結(jié)果表明，軟區(qū)在相同拉伸下出現(xiàn)更顯著的藍移，硬區(qū)變化較小，因此可以把“顏色響應(yīng)閾值”編碼到圖案中，制作只在特定應(yīng)變下才顯現(xiàn)或消失的隱顯信息。上述調(diào)控均可在同一次打印路徑內(nèi)完成，實現(xiàn)連續(xù)梯度與離散像素的統(tǒng)一。

圖2. CLCE像素圖案的信息展示與隱藏。

從平面到曲面與可穿戴示范

  CAP 直接在圓柱、人臉與動物模型等連續(xù)曲面上打印 CLCE 圖案，顏色在不同位置保持一致，并在仿生“變色龍皮膚”上通過充放氣實現(xiàn)秒級、可逆的綠—藍、紅—黃轉(zhuǎn)換，顯示出無源、低能耗的力致變色特征。作者還將像素貼附于手套關(guān)節(jié)處，不同彎曲角度對應(yīng)可重復(fù)的反射峰位移與顏色軌跡，多個像素的組合可形成手勢“彩色指紋”，便于相機直接讀出。

圖3. CAP打印CLCE的應(yīng)用。

意義與展望

  該工作把結(jié)構(gòu)色材料的“像素化、梯度化、曲面化”制造統(tǒng)一到一種可擴展的打印工藝中，突破了傳統(tǒng)單色打印在分辨率與功能集成上的限制。該工作在能夠在像素的微米尺度級別編碼光學(xué)與力學(xué)屬性，為加密顯示、可拉伸顯示、相機可讀的可穿戴傳感與仿生偽裝等方向提供了通用平臺，也為軟體光子學(xué)與自適應(yīng)器件的工程化奠定了基礎(chǔ)。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102495