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  在自然界中，章魚和墨魚等頭足類動物能夠通過改變皮膚的紋理與顏色，實現卓越的動態偽裝與環境適應能力。受此啟發，開發能夠同時調控表面形貌與光學特性的智能材料，在自適應偽裝、軟體機器人與智能顯示等領域具有重要意義。然而，現有的大多數人工材料體系仍局限于單一的顏色或紋理調控，且面臨力學性能差、顏色可見度低、可編程性有限等挑戰。因此，亟需開發一種能夠對表面紋理與顏色進行高效協同調控的新型材料體系。

  針對上述問題，斯坦福大學趙芮可教授團隊報道了一種膽甾相液晶彈性體雙層體系（Cholesteric liquid crystal elastomer-liquid crystal elastomer，CLCE-LCE），通過應變失配誘導的表面失穩行為實現了紋理與結構色的同步可逆調控。通過系統調控CLCE層厚度、基底預拉伸比與雙層模量比等關鍵參數，實現了對褶皺形貌與顏色組合的按需設計。進一步結合空間選擇性光固化與化學圖案化策略，在單一材料中實現了空間可編程的紋理變化與顏色響應。該雙層體系在動態熱調節與多態信息編碼等功能應用中展現出獨特優勢，為開發表面形貌與光學特性可編程的多功能材料提供了全新平臺。

  2025年10月29日，相關研究成果以“Bioinspired Synergistic Texture and Color Modulation Enabled by Surface Instability of Cholesteric Liquid Crystal Elastomer Bilayers”為題發表在《Science Advances》上。斯坦福大學博士后楊瀟和博士生Jay Sim為論文共同第一作者，趙芮可教授為論文通訊作者。

  圖1展示了雙層CLCE-LCE的制備過程及其紋理—顏色協同調控機理。首先對LCE基底進行預拉伸（圖1-i），隨后將CLCE前驅體墨水均勻涂覆于基底表面（圖1-ii）。隨著溶劑不斷蒸發，液晶分子自組裝顯示出結構色（圖1-iii），經光固化后得到高模量的CLCE層，并與LCE基底通過共價鍵結合形成牢固界面。釋放預拉伸應力后，層間應變失配誘發表面失穩，生成周期性褶皺圖案（圖1-iv）。褶皺表面的周期性應變分布同步改變了CLCE的分子螺距：波峰處受拉應變，螺距減小，反射光藍移；波谷處受壓應變，螺距增大，反射光紅移，從而實現表面紋理與顏色的協同可逆調控（視頻1）。

圖1. 雙層CLCE-LCE的制備及其紋理—顏色協同調控機理示意圖

視頻1

  系統研究了CLCE層厚度（H_f）、基底預拉伸比（λ_pr）和雙層模量比（E_f/E_s）對表面褶皺形貌與結構色的影響。結果表明，增大CLCE層厚度可在保持顏色分布不變的情況下線性增大褶皺波長和振幅（圖2A,C,D）；提高預拉伸比可形成更密集、振幅更大的褶皺結構（圖2A,E,F）；而改變雙層模量比不僅會改變褶皺波長和振幅，還可形成不同的表面紋理，并伴隨不同的顏色響應（圖2A,G,H）。有限元模擬與實驗結果高度吻合，準確預測了應變分布與顏色變化。

圖2. CLCE層厚度、基底預拉伸比和雙層模量比對紋理與顏色調控的影響

  通過調節膽甾相液晶單體含量，可實現CLCE層初始結構色在整個可見光譜范圍內的精確調控，釋放應力后，能夠形成豐富多樣的顏色組合（圖3A；視頻2）。進一步地，空間選擇性光固化可調節局部模量分布，從而實現具有不同褶皺波長分布的表面（圖3B；視頻3）；而通過空間化學圖案化將不同CLCE墨水涂覆在不同區域，則可實現區域特異性的顏色響應（圖3C；視頻3）。

圖3. 可調顏色組合與可編程的紋理與顏色調控

視頻2

視頻3

  許多生物（如變色龍、刺猬和鳥類）能夠通過改變膚色或表面結構實現體溫調節（圖4A）。得益于雙層CLCE-LCE紋理與顏色的協同調控能力，該體系可作為仿生智能皮膚實現動態熱調節。如圖4B,C所示，所制備的雙層CLCE-LCE能夠在黃色平整態與深藍色褶皺態之間可逆切換。在相同光照條件下，后者表面溫度從36.8℃升至45.6℃，這源于深色增強了光吸收，且褶皺結構增加了輻照面積。這種紋理—顏色的協同調控展現出顯著的動態熱調控性能，且循環測試表明其高度可逆性（圖4D）。

圖4. 雙層CLCE-LCE作為智能皮膚用于動態熱調節

  利用具有特定圖案的光掩膜進行空間選擇性光固化，可精確調控CLCE表面不同區域的模量，從而實現可視化信息編碼。例如，使用“S”形掩膜對綠色雙層CLCE-LCE進行局部光固化（圖5A）。應力釋放后，固化的“S”區域呈現藍色褶皺，而未固化區域保持平整并變為橙色，從而使“S”圖案顯現，再次拉伸后圖案可逆消失（圖5B）。通過多步選擇性光固化在不同應力條件下定義圖案，還可實現信息的按序顯示（圖5C,D；視頻4）。

圖5. 雙層CLCE-LCE用于多態信息編碼

視頻4

  通過對LCE基底施加雙向預拉伸，可進一步拓展至二維紋理與顏色的調控（圖6A）。研究比較了按序釋放應力和同時釋放應力兩種模式：按序釋放應力時，表面先形成一維褶皺，之后演化為規則的之字形圖案（圖6B）；而同時釋放則產生無序的迷宮狀紋理。這種雙向拉伸策略為實現復雜的二維光學圖案提供了更多設計自由度。

圖6. 雙層CLCE-LCE的二維紋理與顏色調控

  團隊提出的仿生CLCE-LCE雙層體系可在外力作用下實現表面褶皺與結構色的協同可逆調控。通過調節層厚度、預拉伸比與模量比等參數，并結合空間選擇性固化與化學圖案化策略，實現了可編程的紋理與顏色組合，在動態熱調節與多態信息編碼等應用中展現出廣泛潛力，為發展表面形貌與光學特性可編程的下一代智能材料提供了全新思路。

  論文鏈接 http://doi.org/10.1126/sciadv.aea9183