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  近日，賓夕法尼亞大學Shu Yang（楊澍）教授團隊在材料科學頂刊《Advanced Materials》發表了以“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）：開發了一種亞毫米尺度的膽甾相液晶彈性體（CLCE）空心微管，實現了對不同模式機械刺激的多模式力致變色響應。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器人、自適應顯示器、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）。

  結構色是通過材料表面特定周期性微觀結構對光的干涉、衍射或散射作用產生的顏色，不依賴于色素或染料。近年來，能夠對外界刺激（如力、熱、濕度）產生快速顏色變化的結構色材料逐漸受到科研界和工業界的關注。然而，傳統的力致變色材料通常限于薄膜或纖維形式，表現出有限的響應模式。為解決這一限制，賓夕法尼亞大學材料科學與工程系的研究人員利用膽甾相液晶彈性體（CLCE）研發出一種創新性的亞毫米級均勻空心微管（圖1）。

圖1：力致變色CLCE微管。a）CLCE微管的制備示意圖（第一行），對應的反射光學顯微鏡（OM）圖像（第二行），以及偏振光學顯微鏡（POM）圖像（第三行）。I：填充CLCE前驅體30分鐘后；II：I狀態下立即注入空氣后；III：II狀態后1分鐘；b）圖a所示三個狀態下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）。

  研究團隊創新性地利用剪切作用，在彈性微通道內將高黏度CLCE前驅體塑造成均勻的管壁結構，克服了重力和不穩定性的干擾。與傳統的固體纖維相比，該微管表現出更快速、更高反射率的色彩響應。這種CLCE微管能夠在拉伸與充氣條件下產生軸向、周向和徑向的多維度應變，呈現出高度靈敏的變色效果。

  研究團隊展示了通過將五根CLCE微管進行不同的排列組合，并結合拉伸、充氣、彎曲等多種力致變色響應模態，實現了對全部26個英文字母的結構色顯示（圖2）。這一系統利用了CLCE微管在多維應變下色彩變化的可控性，使得每個字母都能通過精確調控變形狀態而呈現出不同顏色，為可重構的反射式光學顯示提供了新的思路。

圖2：可重構的結構色字母反射顯示裝置。a）由五根CLCE微管構成的字母顯示系統的示意圖，其結構可通過插針與進氣口的移動進行重構；b）照片展示了系統的不同狀態：i）初始狀態，顯示近紅外顏色；ii）通過單一充氣實現的單色“A”字母；iii）通過充氣實現的多色“A”；iv）通過充氣與拉伸組合實現的“M”；v）通過進氣口移動與充氣組合實現的“X”；vi）通過彎曲（插針移動）與充氣組合實現的“P”；c）照片展示了通過圖a所示四種顏色調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，能夠形成對環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下表現出不同程度的預應變和變色靈敏度，使得整個系統在充氣或形變過程中展現出全方位可見、區域可編程的結構色分布。這一特性不僅展示了材料在光學顯示方面的靈活性，也為可穿戴設備和復雜形狀界面的智能感知與反饋提供了新可能，從而進一步擴展了這種新型材料的應用潛力。

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，展示其可實現全方位可見的結構色；b, c）微管在充氣狀態下分別處于低曲率（b）和高曲率（c）時的彎曲形態示意圖；d）一個3D打印圓錐體，自上視角和側視角觀察其在不同充氣壓力下，纏繞的紅色CLCE微管所產生的顏色變化；e）一個3D打印圓柱體，纏繞有三根綠色光子微管（編號為1、2、3），通過選擇性充氣實現多重信號顯示；f）一個3D打印花瓶，在充氣過程中紅色CLCE微管被粘附固定于瓶身，不同部位的曲率造成顏色響應差異。

  本研究的優勢在于通過單一材料即可實現多模式響應，不僅降低了制造復雜性和成本，還提高了結構色材料在實際應用中的靈活性和適應性。該研究通過理論分析和實驗驗證，深入探討了材料各向異性與結構設計之間的內在關系，提出了新型的結構色材料設計理念，并成功實現了多模式高靈敏力致變色的突破性進展。

  賓夕法尼亞大學楊澍團隊的這項研究成果開辟了結構色材料應用的新領域，展示了液晶彈性體微管在智能化、多功能傳感和顯示技術中的巨大潛力。

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