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  動(dòng)物之間常通過(guò)顏色變化來(lái)傳遞信號(hào)。在感知到外界環(huán)境變化時(shí)，它們通過(guò)改變自身的顏色實(shí)現(xiàn)偽裝、恐嚇、警戒、求偶等行為。響應(yīng)性光子晶體被認(rèn)為是模仿變色行為的最佳材料，在外界刺激的誘導(dǎo)下，光子晶體通過(guò)改變自身周期結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控反射波長(zhǎng)，即實(shí)現(xiàn)視覺(jué)上的顏色變化。然而，現(xiàn)有的體系變色范圍有限，使得顯示的圖案需要犧牲一種顏色作為背景。也就是說(shuō)，無(wú)法顯示黑色，還不能真正做到“全彩”，這嚴(yán)重制約了該類(lèi)材料的應(yīng)用與發(fā)展。

  最近，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系俞燕蕾教授課題組突破上述難關(guān)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型光響應(yīng)超分子材料--——分段調(diào)控膽甾相液晶。基于該材料制備的光子晶體具有超寬的顏色調(diào)控范圍，能夠在黑色背景上顯示各色圖案，甚至在同一個(gè)背景上顯示不同顏色的圖案。研究者別出心裁的將“國(guó)粹”麻將圖案融入到材料的功能展示過(guò)程中，充分體現(xiàn)了科研與生活的完美結(jié)合。

  變色過(guò)程分為兩步：首先，利用可見(jiàn)光刺激將光子晶體調(diào)控到想要的顏色；隨后，將刺激光源換成紫外光，再結(jié)合各式各樣的掩膜版，就能得到“黑底彩圖”，操作起來(lái)非常簡(jiǎn)單易行。之所以選擇光作為刺激源，俞燕蕾教授表示，光是一種清潔能源，并且在遠(yuǎn)程、精確、定點(diǎn)控制上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，我們一直致力于“讓液晶材料隨光起舞”。

圖1 新型膽甾相液晶的顏色調(diào)控及其圖案化過(guò)程展示

  顯示“黑色”看似簡(jiǎn)單，實(shí)則需要膽甾相液晶的核心成分——手性分子具有很寬的調(diào)控范圍，反射波長(zhǎng)在保證覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光譜的前提下，進(jìn)一步延伸至近紅外光區(qū)域。由于近紅外光無(wú)法被人的眼睛識(shí)別，所以顯示出黑色背景。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究者精心設(shè)計(jì)了一種新型三穩(wěn)態(tài)手性分子，巧妙的將兩種偶氮苯連接在聯(lián)萘手性中心上。偶氮苯和含氟偶氮苯在紫外光和藍(lán)光的刺激下均分別發(fā)生trans-cis和cis-trans異構(gòu)化反應(yīng)。但是，當(dāng)使用綠光作為刺激源時(shí)，偶氮苯由cis回復(fù)到trans，含氟偶氮苯卻由trans異構(gòu)化為cis。正是由于兩種偶氮苯在這三種光刺激下的異構(gòu)化反應(yīng)不盡相同，該手性分子可以產(chǎn)生3種穩(wěn)定構(gòu)型，為膽甾相液晶提供2個(gè)調(diào)控波段。3種構(gòu)型空間結(jié)構(gòu)存在巨大差異，導(dǎo)致螺旋扭曲力的變化非常大（D = 87%），這為拓寬調(diào)控范圍奠定了基礎(chǔ)。

圖2 三穩(wěn)態(tài)手性分子的結(jié)構(gòu)和不同波長(zhǎng)光刺激下三種構(gòu)型之間的可逆變化

  僅需強(qiáng)度為幾十毫瓦每平方厘米的可見(jiàn)光刺激，該手性分子就可以在構(gòu)型I和II之間轉(zhuǎn)變，引起膽甾相液晶材料的反射波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)可逆變化，顏色豐富鮮艷，響應(yīng)速度快。在紫外光的刺激下，手性分子轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)型III，反射波長(zhǎng)從670 nm紅移至2100 nm，在近紅外區(qū)域擁有寬達(dá)1430 nm的調(diào)控范圍。該材料有望在防偽、彩色電子書(shū)、光擦寫(xiě)顯示器等領(lǐng)域大展拳腳。

圖3 膽甾相液晶反射波長(zhǎng)的分段調(diào)控，包括可見(jiàn)光和近紅外光區(qū)域

  相關(guān)研究成果最近以Piecewise Phototuning of Self-Organized Helical Superstructures為題發(fā)表于Advanced Materials，文章的第一作者為復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系博士研究生秦朗，通訊作者為俞燕蕾教授。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704941/full