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  膽甾相液晶彈性體（CLCE）可反射特定波長的光，呈現出鮮明的結構色，在傳感器、仿生偽裝等領域具有重要應用前景。在外力作用下，材料內部螺旋結構發生改變，進而引發顏色變化，這一效應被稱為力致變色。但傳統 CLCE 存在結構性局限：液晶分子呈螺旋排列，宏觀上各向取向被平均化，材料整體表現為力學各向同性。這意味著傳統 CLCE 雖可隨外力變色，卻難以像向列相液晶彈性體一樣，通過預設分子排列方向，借助熱致相變、軟彈性等機制，實現復雜且可控的形變。因此，在保留力致變色能力的同時，賦予材料可編程形變功能，是該領域亟待解決的核心挑戰。

  為此，清華大學化學系楊忠強課題組聯合北京大學馮帆和劍橋大學John S. Biggins，開發出基于動態共價鍵與機械力/壓力誘導取向的可編程CLCE空心纖維。通過精準調控分子在軸向、環向或扭轉方向的排列，該纖維在充氣作用下可實現膨脹、收縮、伸長、扭轉等多種復雜形變，且同步產生結構色變化。研究團隊建立了基于非理想新經典液晶彈性體能量的膜氣球模型，成功捕捉到材料響應中的非單調性與亞臨界性等關鍵力學特征。該工作為多響應CLCE的研究提供了全新范式，有望推動CLCE作為先進刺激響應材料，在柔性器件、智能驅動、自適應系統等領域的應用與發展。

  2026年3月27日，以上研究成果以《Programmable multimodal actuation in cholesteric liquid crystal elastomer hollow fibers beyond mechanochromism》為題，發表在Nature Communications上。清華大學化學系博士生馬佳哲為第一作者，清華大學楊忠強，北京大學馮帆和劍橋大學John S. Biggins為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金和清華大學篤實基金等的資助。

圖1 CLCE空心纖維的形態及工作原理

圖2 多疇CLCE空心纖維氣動響應性能表征

  多疇 CLCE 空心纖維在氣動驅動下可同步發生形變與顏色變化，變化幅度可通過氣壓精準調控。實驗中，纖維產生約17% 的軸向應變、79% 的徑向膨脹，以及223 nm 的反射波長藍移。理論模型成功復現實驗中關鍵的非單調行為：纖維先縮短后伸長，該現象源于應力作用下液晶指向子的環向旋轉。模型揭示了非單調小幅度長度變化、單調大幅度直徑變化、大幅度單調波長藍移等核心特征。

圖3 軸向取向CLCE空心纖維氣動響應性能表征

  含動態B-O鍵的CLCE體系具備優異的動態鍵交換能力。通過對多疇空心纖維進行熱激活編程，可制備出軸向取向CLCE空心纖維。依托力學各向異性與軟彈性特性，該纖維在氣動驅動下，液晶基元由軸向排列旋轉為環向排列，實現約50%的軸向收縮、165%的徑向膨脹，以及176 nm的反射波長藍移。材料呈現獨特的“平臺—跳躍”響應特征：臨界氣壓前形變微弱，達到閾值后瞬間發生大幅收縮。該機制為閾值型光學傳感器、多級軟執行器等器件設計提供了新思路。

圖4 環向取向CLCE空心纖維氣動響應性能表征

  通過充氣施加外力的方法能夠成功誘導環向取向的CLCE中空纖維，且這一取向狀態可通過動態B-O鍵的熱交換反應固定。環向取向的CLCE中空纖維對氣動驅動表現出穩定的響應：在200 kPa氣壓下，纖維實現了約14%的軸向伸長、25%的徑向膨脹以及158 nm的反射波長藍移。值得注意的是，這類纖維在小應變范圍內即可實現大幅波長偏移，同時兼具伸長與膨脹的雙重形變特征。這一特性使其在應變傳感器、信息顯示等領域展現出巨大的應用潛力。

圖5 加捻CLCE空心纖維氣動響應性能表征

  依托動態共價鍵設計，可制備結構可控的加捻CLCE空心纖維。在氣動驅動下，液晶基元的扭轉取向使纖維同時產生長度收縮與扭轉變形。以18° mm?1左旋加捻樣品為例，當氣壓從0增至60 kPa時，纖維發生逆時針扭轉，最大扭轉角度達163°；當氣壓達到80 kPa時，纖維發生旋轉反向，順時針旋轉約330°至+167°；繼續增壓至140 kPa時，最大順時針扭轉角度達185°。纖維在80 kPa臨界壓力處發生顯著的軸向收縮，最大收縮率約為48%。與此同時，氣動驅動過程伴隨著結構色的藍移，呈現形狀與顏色的雙重響應。這種扭轉排列的CLCE中空纖維極大豐富了CLCE纖維作為驅動單元的形變模式，進一步拓展了CLCE作為刺激響應材料的應用場景。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71050-6