自然界中變色龍等生物通過動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)重組實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)偽裝，啟發(fā)了人工刺激響應(yīng)材料的發(fā)展。溫度作為普適性調(diào)控信號(hào)，在智能光子系統(tǒng)中具有關(guān)鍵地位。然而，傳統(tǒng)溫致變色結(jié)構(gòu)材料受限于固有物理化學(xué)性質(zhì)（如相變溫度固定、折射率變化非線性），存在靈敏度固定、非線性響應(yīng)和可調(diào)范圍窄三大瓶頸，嚴(yán)重阻礙了其在動(dòng)態(tài)場景中的應(yīng)用。膽甾相液晶（CLCs）雖具備螺旋超結(jié)構(gòu)和對圓偏振光的選擇性反射優(yōu)勢，但其熱響應(yīng)仍局限于窄溫窗內(nèi)的非線性調(diào)制，無法滿足高精度光子工程需求。

華東理工大學(xué)鄭志剛教授與東南大學(xué)李全院士團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出基于液晶二聚體的膽甾相螺旋（CH）結(jié)構(gòu)，首次實(shí)現(xiàn)電熱協(xié)同響應(yīng)的線性可編程溫敏變色。該系統(tǒng)在可見光全譜域展現(xiàn)出5 nm/0.05°C的近線性溫度靈敏度，并通過電場將靈敏度動(dòng)態(tài)調(diào)控于100–50 nm °C?1區(qū)間。其創(chuàng)新機(jī)制源于液晶二聚體材料中溫度依賴的彎曲彈性效應(yīng)與電場誘導(dǎo)介電扭矩的協(xié)同作用，成功突破傳統(tǒng)軟物質(zhì)系統(tǒng)的固定響應(yīng)限制。結(jié)合數(shù)字光刻技術(shù)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了空間可編程的螺旋微區(qū)，為多路溫度可視化和動(dòng)態(tài)信息加密開辟新途徑。

核心機(jī)制與性能驗(yàn)證

圖1揭示材料設(shè)計(jì)關(guān)鍵：液晶二聚體CBrCB（含奇數(shù)烷基鏈）提供超低彎曲彈性常數(shù)（K33），與向列相液晶5CB、手性劑R811組成穩(wěn)定復(fù)合體系。電場誘導(dǎo)下，分子以錐角θ繞螺旋軸排列（圖1b），形成螺旋節(jié)距P可調(diào)的CH結(jié)構(gòu)。在24°C下，電場從0.79增至1.02 V/μm時(shí)，反射光從紅→橙→綠→青→藍(lán)連續(xù)漸變（圖1c），光譜覆蓋450–650 nm可見區(qū)（圖1d），其色度占據(jù)92% sRGB標(biāo)準(zhǔn)空間（圖1e）。

圖1 a) 液晶二聚體系列CBrCB、向列相液晶5CB及手性劑R811的分子結(jié)構(gòu) b) 電場誘導(dǎo)膽甾相螺旋（CH）結(jié)構(gòu)示意圖：分子以錐角θ繞螺旋軸旋轉(zhuǎn)，節(jié)距為P。其中 ENC和 EUN分別表示螺旋構(gòu)象誘導(dǎo)閾值電場與解旋閾值電場 c) 樣品T-5在24°C下的偏振光學(xué)顯微鏡（POM）紋理：電場從0.79增至1.02 V/μm時(shí)的結(jié)構(gòu)色變化。標(biāo)尺：300 μm d) 24°C時(shí)樣品T-5隨電場增強(qiáng)的反射光譜（已扣除基底貢獻(xiàn)）。光譜上方數(shù)字為施加電場強(qiáng)度（V/μm） e) CIE色度圖：CH結(jié)構(gòu)色域（藍(lán)點(diǎn)）與標(biāo)準(zhǔn)sRGB空間（三角框）對比。藍(lán)虛線表示混色可達(dá)的總覆蓋區(qū)域

圖2展示革命性溫敏性能：在0.85 V/μm電場下，溫度僅需升高2.0°C（22.5→24.5°C），反射波長即從468 nm（藍(lán)）線性紅移至662 nm（紅）（圖2a）。靈敏度高達(dá)102 nm/°C，線性擬合系數(shù)R2=0.99（圖2b），且每0.05°C偏移5 nm（插頁）。通過電場調(diào)控（0.85→1.42 V/μm），靈敏度可從102 nm/°C降至50 nm/°C。楔形器件實(shí)驗(yàn)（圖2c）進(jìn)一步證實(shí)空間色序分布隨溫度協(xié)同演變（圖2d）。通過調(diào)節(jié)5CB含量，工作溫區(qū)可定制于12.0–50.1°C（圖2e-f），如T-6樣品在12.0–13.9°C區(qū)間靈敏度達(dá)113 nm/°C。

圖2 a) 樣品T-5在固定電場0.85 V/μm下的溫度依賴反射光譜 b) 不同電場下樣品T-5中心反射波長與溫度的線性關(guān)系。藍(lán)圈/線：升溫過程；綠方/線：降溫過程。棕色數(shù)字為線性擬合斜率（溫度靈敏度S），藍(lán)色數(shù)字為決定系數(shù)（R2）。插頁：0.05°C溫升間隔的反射波長紅移 c) 楔形液晶盒內(nèi)CH結(jié)構(gòu)組裝示意圖：厚度梯度產(chǎn)生電場梯度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)色彩虹狀分布 d) 楔形盒內(nèi)結(jié)構(gòu)色隨溫度變化的空間分布 e) CBrCBs與5CB構(gòu)成的CH材料體系相圖 f) 各樣品在變色溫區(qū)內(nèi)中心反射波長隨溫度演化。黃色數(shù)字標(biāo)注最高/最低溫度靈敏度S

圖3闡明電熱協(xié)同機(jī)制：在N-NTB相變溫區(qū)，彎曲彈性常數(shù)K33隨溫度呈二次方增長（從0.29→0.56 pN，增幅93%），而介電各向異性（Δε）和手性扭曲力（HTP）變化不足1%（圖3a-c）。理論模型（公式6）證明反射波長λc ∝ √K??/E，K33的溫度依賴性直接決定了線性響應(yīng)（圖3f）。數(shù)值模擬重現(xiàn)了電場對錐角（圖3e）和節(jié)距（圖3f）的調(diào)控規(guī)律，弱電場實(shí)現(xiàn)高靈敏度窄溫窗調(diào)制，強(qiáng)電場則降低靈敏度并拓寬溫區(qū)（圖3g）。

圖3 a) CH材料體系中R811手性扭曲力（HTP）的溫度依賴性 b) 介電常數(shù)溫度變化：平行分量 ε∥、垂直分量 ε⊥ 、各向異性 Δε c) 展曲彈性常數(shù) K11與彎曲彈性常數(shù)K33的溫度依賴性。近N-NTB相變區(qū)（2.5°C < T-TNNTB< 7.5°C）的 K33符合二次方程 K33(T) = (aT+c)2（a=0.045, c=0.386） d) CH結(jié)構(gòu)閾值電場的數(shù)值模擬：ENC（誘導(dǎo)閾值）、 EUN （解旋閾值） e) 固定電場下螺旋錐角隨溫度演化的數(shù)值模擬 f) 固定電場下螺旋節(jié)距標(biāo)準(zhǔn)化值（P/P?）的溫度依賴性數(shù)值模擬 g) CH結(jié)構(gòu)電熱響應(yīng)機(jī)制：i) 弱電場實(shí)現(xiàn)高靈敏度窄溫窗RGB調(diào)制；ii) 強(qiáng)電場降低靈敏度需更寬溫區(qū)

創(chuàng)新應(yīng)用場景

圖4演示自適應(yīng)溫度傳感：通過光刻制備圖案化ITO電極（圖4a），集成三種CH材料（T-4至T-6）構(gòu)成"雪花-云朵-太陽"像素單元（圖4b）。12.0–14.0°C時(shí)，"雪花"像素呈現(xiàn)藍(lán)→綠→紅漸變；22.4–24.0°C激活"云朵"；31.5–33.6°C激活"太陽"（圖4c）。電場可動(dòng)態(tài)重配置各像素響應(yīng)溫區(qū)（圖4d），像素陣列設(shè)計(jì)（圖4e）支持寬范圍高分辨溫度監(jiān)測。

圖4 a) 圖案化電極ITO濕法刻蝕流程示意圖 b) 器件設(shè)計(jì)：上基板預(yù)置三種天氣圖案像素（像素1"雪花"、像素2"云朵"、像素3"太陽"），下基板為平面ITO公共電極 c) 電場0.83/0.85/1.00 V/μm下各像素在不同溫區(qū)的顯色。標(biāo)尺：2 mm d) 電場0.95/1.00/1.20 V/μm下的像素顯色溫區(qū)調(diào)控。標(biāo)尺：2 mm e) 擴(kuò)展像素陣列設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)寬范圍連續(xù)高分辨溫度監(jiān)測

圖5實(shí)現(xiàn)多維信息加密：基于T-5樣品構(gòu)建"陰陽魚"雙像素單元（圖5a），通過電場（E1/E2）與溫度協(xié)同控制，每個(gè)像素產(chǎn)生4態(tài)光學(xué)輸出（共16種組合）。建立十六進(jìn)制映射主密鑰（MK）（圖5b），將字符"Lock!"轉(zhuǎn)為ASCII碼→Hex碼→光學(xué)圖案序列（圖5c）。動(dòng)態(tài)密鑰（DK）由溫度參數(shù)（如25.0°C）和時(shí)序電場（如E1=0.75 V/μm, E2=1.18 V/μm）生成（圖5d），溫度偏差將導(dǎo)致信息完全錯(cuò)亂（圖5e），杜絕部分解密風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 a) 信息加密器件結(jié)構(gòu)：雙"陰陽魚"像素單元（A1/A2）可獨(dú)立受控于電場E1/E2與溫度 b) 十六進(jìn)制（Hex）編碼主密鑰（MK）：光學(xué)圖案序列與Hex/ASCII碼映射關(guān)系 c) 明文"Lock!"的解密規(guī)則（基于MK） d) 動(dòng)態(tài)密鑰（DK）生成：起始符(000)-溫度參數(shù)(250→25.0°C)-時(shí)序電場信號(hào)(07→E1=0.75 V/μm, 11→E2=1.18 V/μm)-終止符(000)。"Lock!"加密實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。標(biāo)尺：2 mm e) 溫度參數(shù)錯(cuò)誤導(dǎo)致解密亂碼（即使電場序列與顏色映射正確）

行業(yè)展望

該研究首創(chuàng)性地在單一軟物質(zhì)系統(tǒng)中同步實(shí)現(xiàn)三大突破：可見光全譜調(diào)色、線性可編程溫敏（100–50 nm °C?1）、寬溫區(qū)定制（12–50°C）。電熱協(xié)同調(diào)控范式克服了單刺激系統(tǒng)的局限性，為高精度傳感、自適應(yīng)光學(xué)及下一代光子器件奠定基礎(chǔ)?？臻g可編程螺旋微區(qū)與圖案化電極的結(jié)合，將推動(dòng)多維光信息傳輸和安全加密技術(shù)的跨越式發(fā)展。

來源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>