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  動(dòng)態(tài)顏色控制是生物體通過(guò)適應(yīng)環(huán)境變化實(shí)現(xiàn)的一種重要機(jī)制，近年來(lái)，隨著響應(yīng)性材料的不斷發(fā)展，研究者們逐漸能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)顏色變化的精確調(diào)控，尤其是在液晶材料領(lǐng)域。特別地，藍(lán)相液晶（BPLC）是一種3D手性螺旋超結(jié)構(gòu)，由于其獨(dú)特的光學(xué)特性，如可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)顏色和圓偏振光反射，成為研究熱點(diǎn)。然而，要在實(shí)際應(yīng)用中利用BPLC材料實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多色圖案控制，仍面臨一些重大挑戰(zhàn)。盡管?chē)娔蛴〖夹g(shù)為高分辨率、多色圖案的實(shí)現(xiàn)提供了有效途徑，但如何獨(dú)立控制區(qū)域顏色、精確調(diào)節(jié)顏色變化速率和持續(xù)時(shí)間，尤其是針對(duì)液晶墨水的溫度和時(shí)間依賴性行為，仍然是該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

  中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷院士、王京霞研究員團(tuán)隊(duì)在藍(lán)相液晶（BPLC）領(lǐng)域取得了一系列重要突破。團(tuán)隊(duì)率先利用商用液晶材料成功制備出具有寬溫域、高品質(zhì)的藍(lán)相液晶聚合物（J. Mater. Chem. C, 2019, 7: 9460）。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)透射電鏡、同步輻射、2D光學(xué)表征等多種先進(jìn)手段，揭示了藍(lán)相液晶的馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制（Nat. Commun. 2021, 12, 3477），并深入研究了聚合物藍(lán)相液晶的光學(xué)熱穩(wěn)定性（Adv. Funct. Mater. 2024, 2412439）。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于聚合物藍(lán)相液晶的高品質(zhì)激光諧振腔，通過(guò)調(diào)控帶隙變化實(shí)現(xiàn)了單模、雙模、三模及四模激射的可控調(diào)制（Adv. Mater., 2022, 34, 2108330）。通過(guò)優(yōu)化聚合物藍(lán)相液晶的組成及聚合度，團(tuán)隊(duì)成功將藍(lán)相激射的溫域擴(kuò)展至超過(guò)400°C（-180~230°C）（Adv. Mater., 2022, 34, 2206580; Adv. Mater., 2024, 2308439）。此外，團(tuán)隊(duì)還將藍(lán)相液晶模板應(yīng)用于光子紙領(lǐng)域，通過(guò)將聚合物模板藍(lán)相（PTBPs）與噴墨打印技術(shù)相結(jié)合，利用小分子液晶5CB作為墨水，實(shí)現(xiàn)了高精度“活”圖案的制備（Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985），并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了3D手性色彩單元的可編程時(shí)空調(diào)控與加密（Adv. Mater. 2025, 37 (4), 2411988）。

  然而，由于液晶墨水復(fù)雜的相變特性、流體特性以及與BPLC聚合物網(wǎng)絡(luò)的相互作用，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域顏色的獨(dú)立“開(kāi)/關(guān)”控制，并深入理解不同液晶墨水決定的顏色變化隨溫度和時(shí)間變化的行為，仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。這一難題極大地限制了基于BPLC的高分辨率復(fù)雜動(dòng)態(tài)圖案的開(kāi)發(fā)及其潛在應(yīng)用。

  近日，該研究團(tuán)隊(duì)基于疏水改性藍(lán)相聚合物模板（FAS-BPPT），系統(tǒng)研究了三種液晶墨水（5CB、6CB、8CB）的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，揭示了墨水相變特性、流體性質(zhì)與聚合物網(wǎng)絡(luò)相互作用的深層規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明，墨水滲透會(huì)引發(fā)反射帶隙的“紅移-藍(lán)移”兩階段變化，而溫度可通過(guò)調(diào)控墨水粘度和擴(kuò)散速率，靈活控制顏色變化速率與持續(xù)時(shí)間。例如，低粘度的5CB墨水?dāng)U散最快，顏色變化范圍最廣；高粘度的8CB則需更長(zhǎng)時(shí)間觸發(fā)，但顏色穩(wěn)定性更優(yōu)。這一突破性研究為復(fù)雜動(dòng)態(tài)圖案的可編程化與多維光學(xué)加密提供了新的技術(shù)路徑，推動(dòng)了藍(lán)相液晶在智能顯示、信息加密等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

  此外，基于墨水特性差異，團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了多層級(jí)動(dòng)態(tài)圖案。例如：

• “生長(zhǎng)的蘋(píng)果樹(shù)”：通過(guò)分層印刷5CB（樹(shù)葉、樹(shù)干）與8CB（蘋(píng)果），在溫度梯度下依次觸發(fā)顏色變化，模擬植物生長(zhǎng)過(guò)程。

• 嵌套QR碼：利用不同墨水的時(shí)間響應(yīng)差異，設(shè)計(jì)雙層加密信息，僅在特定溫度下逐級(jí)解密，顯著提升防偽安全性。

• 傳統(tǒng)花鳥(niǎo)畫(huà)：結(jié)合5CB、6CB、8CB的區(qū)域印刷，實(shí)現(xiàn)黃、紅、綠多色動(dòng)態(tài)漸變，展現(xiàn)藝術(shù)與科技的融合。

  這些圖案不僅支持裸眼動(dòng)態(tài)觀測(cè)，還具備圓偏振光選擇性反射特性，為多維光學(xué)加密提供了新思路。

圖1. PS-BPLC和FAS-BPPT的制備與表征。A) 可打印BPPT的制備過(guò)程示意圖（A₁, A₂）及來(lái)自不同墨水（5CB、6CB和8CB）的多色印刷圖案（A₃, A₃''）；B) POM圖像：B₁) PS-BPLC和B₂) FAS-BPPT，插圖為對(duì)應(yīng)的反射光譜，B₃, B₃'') FAS-BPPT的同步輻射超小角X射線散射（syn-USAXS）；C) Kossel圖案，D) TEM圖像：C₁, D₁) PS-BPLC和C₂, D₂) FAS-BPPT。

圖2. 5CB墨水的滲透行為及不同溫度下FAS-BPPT的對(duì)應(yīng)顏色變化過(guò)程。A) POM圖像和B) 打印點(diǎn)的反射光譜，在A₁, B₁) 30 ?C, A₂, B₂) 35 ?C時(shí)。C₁, C₂) 打印點(diǎn)的中心波長(zhǎng)(λ_center)變化，C₃) 打印點(diǎn)的顏色隨時(shí)間變化。D) 不同溫度下打印點(diǎn)的λ_red和半徑。E) 模擬結(jié)果：E₁) 打印點(diǎn)半徑的變化，E₂) 墨水的滲透深度，E₃) 不同溫度下基底表面墨水剩余體積隨時(shí)間變化。隨著溫度升高，打印點(diǎn)的紅/藍(lán)移速率增加，導(dǎo)致顏色保留時(shí)間縮短。

圖3. 40 ?C下5CB、6CB和8CB墨水在FAS-BPPT上的滲透行為和顏色變化過(guò)程。A) 打印點(diǎn)的POM圖像（i-iv）和反射光譜（v），墨水A₁) 5CB，A₂) 6CB，A₃) 8CB，在40 ?C下的情況。B₁, B₂) 5CB、6CB和8CB墨水打印點(diǎn)的中心波長(zhǎng)(λ_center)和B₃) 顏色變化。C) BPPT填充不同墨水時(shí)的λ_center和膨脹比。5CB墨水的打印點(diǎn)表現(xiàn)出最快的顏色變化速率和最寬的顏色變化范圍，而8CB墨水的打印點(diǎn)則表現(xiàn)出最慢的顏色變化速率和最窄的顏色變化范圍。

圖4. 打印點(diǎn)的動(dòng)態(tài)顏色變化總結(jié)，基于墨水類型和溫度。A) 不同顏色機(jī)制的示意圖：A₁) 在不同溫度下，A₂) 使用不同墨水打印時(shí)。B) 打印點(diǎn)的中心波長(zhǎng)(λ_center)與時(shí)間的關(guān)系，B'') 放大圖。C) 打印點(diǎn)的顏色動(dòng)態(tài)隨時(shí)間變化。對(duì)于單一墨水，打印點(diǎn)的紅/藍(lán)移速率隨著溫度升高而增加，從而導(dǎo)致顏色保留時(shí)間縮短。對(duì)于不同墨水，5CB墨水的打印點(diǎn)表現(xiàn)出最快的顏色變化速率和最寬的顏色變化范圍，而8CB墨水的打印點(diǎn)則表現(xiàn)出最慢的顏色變化速率和最窄的顏色變化范圍。

圖5. 傳統(tǒng)中國(guó)鳥(niǎo)花畫(huà)的制備與表征，通過(guò)使用5CB、6CB和8CB進(jìn)行打印。A) 使用5CB、6CB和8CB墨水分別表現(xiàn)黃色、紅色和綠色的圖案打印示意圖。B) 拍攝的照片：B₁) 無(wú)濾光片，B₂) 左旋偏光濾光片，B₃) 右旋偏光濾光片。C) 打印區(qū)域的反射光譜：C₁) 5CB，C₂) 6CB，C₃) 8CB，插圖：打印區(qū)域在0.5小時(shí)的POM圖像，C₄) 打印區(qū)域在30天內(nèi)中心波長(zhǎng)(λ_center)的變化。

圖6. 用5CB和8CB打印的“生長(zhǎng)中的蘋(píng)果樹(shù)”動(dòng)態(tài)圖案。A) 動(dòng)態(tài)多色圖案的示意圖，通過(guò)采用5CB和8CB的多層打印方式實(shí)現(xiàn)。B) 照片：B₀) BPPT，打印的動(dòng)態(tài)蘋(píng)果樹(shù)，B₁) 0小時(shí)，B₂) 30 ?C下5小時(shí)后，B₃) 35 ?C下11小時(shí)后。C) 圖案的反射光譜：C₁) 葉子，C₂) 樹(shù)干，C₃) 蘋(píng)果。C₄) 加熱時(shí)葉子、樹(shù)干和蘋(píng)果圖案的中心波長(zhǎng)(λ_center)變化。

圖7. 通過(guò)使用5CB、6CB和8CB打印制備的雙層二維碼動(dòng)態(tài)多級(jí)加密。A₁) 設(shè)計(jì)示意圖，A₂) 5CB、6CB和8CB的顏色變化，A₃) 雙層二維碼的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。B) 打印的動(dòng)態(tài)二維碼照片，顯示第一條和第二條信息。

  該研究成果以“Temperature-Time-Dependent Dynamic Pattern from Multi-Inks Printing Based on Chiral Helix Superstructure”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials。該文章通訊作者為王京霞研究員。中國(guó)科學(xué)院理化所碩士生別智瑩和直博生楊文杰為文章共同第一作者。工作中相關(guān)藍(lán)相液晶晶格結(jié)構(gòu)的表征由上海高能所李秀宏研究員協(xié)助完成，中國(guó)科學(xué)院理化所江雷院士為本研究提供了專業(yè)指導(dǎo)和幫助。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：52373001、51873221、52073292）及中荷國(guó)際合作項(xiàng)目（1A111KYSB20190072）等的資助支持。

  原文鏈接 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202424107