在當(dāng)今高度信息化的社會(huì)中，信息存儲(chǔ)材料的發(fā)展極大地促進(jìn)了社會(huì)進(jìn)步，但同時(shí)也引發(fā)了信息安全方面的挑戰(zhàn)。為了提高信息安全性，研究人員已開發(fā)出光學(xué)墨水、發(fā)光圖案和激光全息標(biāo)簽等多種光學(xué)信息加密技術(shù)。靜態(tài)信息加密主要依靠改變光學(xué)模式來(lái)顯示信息，而動(dòng)態(tài)加密則依賴于材料對(duì)外界刺激（如光、熱、力等）的響應(yīng)過(guò)程。膽甾型液晶彈性體（CLCEs）因其獨(dú)特的螺旋周期結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光學(xué)與力學(xué)性能，在信息加密和仿生驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域顯示出巨大潛力。然而，大多數(shù)CLCEs材料呈透明狀態(tài)，需依賴黑色背景襯底才能顯現(xiàn)鮮艷的結(jié)構(gòu)色；同時(shí)，在同一材料上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息加密與復(fù)雜刺激響應(yīng)驅(qū)動(dòng)仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

近日，西北工業(yè)大學(xué)張秋禹教授、葛飛杰教授通過(guò)向CLCEs中引入炭黑（CB）納米顆粒，成功制備出具有明亮結(jié)構(gòu)色的薄膜材料，不僅無(wú)需襯底即可清晰顯示色彩，還能實(shí)現(xiàn)多級(jí)信息加密與近紅外光驅(qū)動(dòng)的多模式形變。該材料通過(guò)光掩模調(diào)控局部交聯(lián)密度，實(shí)現(xiàn)在拉伸或加熱條件下加密圖案的可視化，同時(shí)具備光熱驅(qū)動(dòng)能力，為軟體機(jī)器人和光學(xué)顯示設(shè)備提供了新型多功能材料。相關(guān)論文以“Carbon Black-Containing Cholesteric Liquid Crystal Elastomers Enabling Multi-Level Information Encryption and Multimode Actuation”為題，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

研究人員采用一步法硫醇-丙烯酸邁克爾加成反應(yīng)制備了前驅(qū)體CLCEs（PCLCEs）薄膜，并通過(guò)溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)組裝形成螺旋結(jié)構(gòu)。如圖1所示，所使用的反應(yīng)組分包括非手性液晶單體RM257、手性單體LC756、鏈延長(zhǎng)劑EDDT、交聯(lián)劑PETMP以及光引發(fā)劑Irgacure 1173。圖1b展示了薄膜的制備過(guò)程：在催化劑TEA作用下，通過(guò)邁克爾加成反應(yīng)形成聚合物網(wǎng)絡(luò)，隨著溶劑甲苯的揮發(fā)，手性分子誘導(dǎo)液晶分子自組裝成螺旋排列的膽甾相結(jié)構(gòu)。最終得到的PCLCE?.??薄膜厚度約為540 μm，呈現(xiàn)明亮的紅色，且具備良好的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)色穩(wěn)定性。

圖1. a) 用于制備PCLCEs的非手性液晶單體、手性單體、鏈延長(zhǎng)劑、交聯(lián)劑、光引發(fā)劑和催化劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖； b) PCLCEs薄膜制備過(guò)程的示意圖。

圖2展示了PCLCE?.??薄膜的流變學(xué)行為、化學(xué)結(jié)構(gòu)、力學(xué)變色效應(yīng)及其光學(xué)性能。圖2a顯示混合物在反應(yīng)過(guò)程中儲(chǔ)能模量與損耗模量的交點(diǎn)出現(xiàn)在2小時(shí)43分鐘，表明此時(shí)發(fā)生凝膠化。FTIR光譜（圖2b）中SH鍵特征峰（2569 cm?1）的消失表明硫醇完全反應(yīng)，而C=C雙鍵峰（1635 cm?1）仍存在，說(shuō)明體系中殘留丙烯酸酯基團(tuán)。圖2c和2d顯示隨著應(yīng)變從0%增至160%，薄膜厚度減小，顏色由紅變藍(lán)，反射波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移。圖2e的CIE色度圖表明顏色飽和度較高。圖2f和2g的POM和WAXS結(jié)果顯示拉伸后樣品出現(xiàn)明顯的亮暗交替現(xiàn)象和取向性增強(qiáng)，說(shuō)明螺旋結(jié)構(gòu)在拉伸過(guò)程中發(fā)生變形。圖2i–k展示了在不同偏振片下反射光譜隨應(yīng)變的變化，表明材料具備超反射特性。

圖2. a) PCLCE?.??制備過(guò)程中儲(chǔ)能模量和損耗模量隨時(shí)間的變化； b) 反應(yīng)物及PCLCE?.??的FTIR光譜； c) PCLCE?.??薄膜厚度與反射波長(zhǎng)隨機(jī)械應(yīng)變的變化； d) PCLCE?.??薄膜隨拉伸應(yīng)變的顏色變化； e) 不同應(yīng)變下PCLCE?.??薄膜的CIE 1931色度圖，箭頭表示拉伸方向； f) 初始狀態(tài)和120%應(yīng)變下PCLCE?.??樣品的POM圖像； g) 初始和120%應(yīng)變下PCLCE?.??樣品的2D-WAXS圖像，白色箭頭表示取向方向； h) 不同應(yīng)變下PCLCE?.??薄膜的2D-WAXS圖譜的方位角散射強(qiáng)度分布； i–k) 不同應(yīng)變下PCLCE?.??樣品在不同偏振片下的反射光譜。

圖3研究了CB含量對(duì)PCLCEs性能的影響。隨著CB含量從0增至0.32 wt%，薄膜的結(jié)構(gòu)色逐漸鮮艷，反射峰窄化，顏色飽和度提高（圖3a–c）。力學(xué)性能測(cè)試表明（圖3d），CB的加入略微降低了拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變，但所有樣品均表現(xiàn)出良好的彈性。DSC和TGA結(jié)果顯示（圖3e,h），CB的加入降低了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和液晶-各向同性轉(zhuǎn)變溫度（Ti），但材料仍具備較高的熱穩(wěn)定性。光熱實(shí)驗(yàn)表明（圖3f,g），CB的引入使材料具備顯著的光熱效應(yīng)，在近紅外光照射下可在幾秒內(nèi)升溫至超過(guò)Ti，實(shí)現(xiàn)快速光熱驅(qū)動(dòng)。

圖3. a) 不同CB含量的PCLCEs薄膜在不同時(shí)間后的光學(xué)照片； b) PCLCEs薄膜的反射光譜； c) PCLCEs薄膜反射波長(zhǎng)和顏色飽和度的變化； d) PCLCEs樣品的斷裂應(yīng)力和應(yīng)變變化； e) PCLCEs樣品的DSC曲線； f) PCLCEs薄膜表面溫度隨近紅外光照射時(shí)間的變化（光功率密度：360 mW cm?2）； g) PCLCE?.??薄膜在不同光強(qiáng)下的表面溫度變化； h) PCLCEs樣品的熱重曲線。

圖4展示了基于光掩模的區(qū)域化交聯(lián)調(diào)控實(shí)現(xiàn)的多級(jí)信息加密。通過(guò)控制紫外曝光時(shí)間，在不同區(qū)域引入交聯(lián)密度差異，從而在拉伸或加熱時(shí)出現(xiàn)圖案的可視化。圖4a–c展示了“閾值應(yīng)變觸發(fā)動(dòng)態(tài)圖案”和“連續(xù)應(yīng)變誘導(dǎo)序列可視化圖案”兩種加密模式，以及最終實(shí)現(xiàn)的“CHEAT”多級(jí)信息加密效果。加熱時(shí)，由于熱膨脹程度不同，部分區(qū)域反射波長(zhǎng)進(jìn)入紅外波段，顯示出黑色圖案，實(shí)現(xiàn)熱致加密。

圖4. a) 復(fù)雜信息加密制備過(guò)程示意圖； b) 力誘導(dǎo)和 c) 熱誘導(dǎo)的欺騙性防偽效果。

圖5和圖6展示了CLCEs在近紅外光或熱刺激下的多模式仿生驅(qū)動(dòng)行為。圖5a–c分別模擬了毛毛蟲爬行、向日葵轉(zhuǎn)向和球鼠婦滾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式。圖6a展示了高斯曲率動(dòng)態(tài)切換行為，模仿捕蠅草的開合；圖6b則通過(guò)不同顏色的CLCEs片層粘接，實(shí)現(xiàn)了仿生花朵的開花與凋謝過(guò)程。

圖5. 近紅外光引導(dǎo)的多模式仿生運(yùn)動(dòng)（黑線間距：1 mm）：a) 爬行；b) 旋轉(zhuǎn)；c) 滾動(dòng)。

圖6. 熱板上實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形變：a) 動(dòng)態(tài)高斯曲率切換；b) 仿生花朵的開花與凋謝。

圖7進(jìn)一步展示了信息加密與刺激驅(qū)動(dòng)功能的集成。通過(guò)在拉伸狀態(tài)下進(jìn)行非對(duì)稱紫外交聯(lián)和圖案化曝光，制備出可在加熱過(guò)程中同時(shí)發(fā)生顏色變化、形狀收縮和信息顯示的智能驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器在90°C熱臺(tái)上可逆地顯示隱藏的“V”字信息，并在多次循環(huán)中保持穩(wěn)定性。

圖7. CLCE?.??條帶上的信息加密與刺激驅(qū)動(dòng)集成：a) 平面信息加密；b) 包裹式信息加密。

該項(xiàng)研究成功開發(fā)出一種集高飽和度結(jié)構(gòu)色、力學(xué)變色、熱致變色、光熱驅(qū)動(dòng)與多級(jí)信息加密于一體的多功能CLCEs材料。通過(guò)簡(jiǎn)單的光圖案化和機(jī)械拉伸編程，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的三維形變和多模式運(yùn)動(dòng)，為高端光學(xué)材料、軟體機(jī)器人和信息安全設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了新思路。未來(lái)，該材料有望在動(dòng)態(tài)顯示、自適應(yīng)偽裝和智能防偽等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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