液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)材料在人工肌肉、軟體機(jī)器人、微流控制器和4D打印材料等智能軟器件領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。液晶網(wǎng)絡(luò)在化學(xué)結(jié)構(gòu)上同時(shí)包含聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和液晶基元，在性能上同時(shí)具備聚合物的可加工性、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)特性以及液晶可調(diào)的各向異性，因此具有外觀易編輯、功能可調(diào)、對多種刺激都能響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。利用這些特點(diǎn)，可以將指定的形狀或顏色信息精確地寫入到材料中，同時(shí)在特定外界刺激（光，熱，電場，溶劑等）下使信息再次顯現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)信息的存儲、加密與讀取。

近日，東南大學(xué)智能材料研究院黃帥副研究員與李全院士合作以“基于可編輯顏色和形狀記憶液晶網(wǎng)絡(luò)的信息存儲材料”為題在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus收錄、中文核心期刊）2023年第1期發(fā)表文章。文章論述了具有可編輯顏色和形狀記憶性質(zhì)的液晶網(wǎng)絡(luò)材料在信息存儲中的作用機(jī)制，重點(diǎn)討論了液晶網(wǎng)絡(luò)材料在偽裝、多級信息存儲與信息傳遞等方面的應(yīng)用研究進(jìn)展。

▍形狀可編輯的液晶網(wǎng)絡(luò)體系

具有取向的液晶網(wǎng)絡(luò)發(fā)生液晶相向各向同性相變轉(zhuǎn)變時(shí)，會在局部區(qū)域產(chǎn)生體積變化，帶動材料產(chǎn)生宏觀運(yùn)動（圖1）。通過不同的取向模式設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)螺旋卷曲、彎曲、折疊等多種模式的形變。當(dāng)液晶取向恢復(fù)到預(yù)設(shè)的初始狀態(tài)時(shí)，材料形狀也發(fā)生回復(fù)。通過引入光敏組分能夠?qū)崿F(xiàn)光控形變。典型的是含有偶氮苯衍生物的液晶網(wǎng)絡(luò)在紫外光或可見光控制下的運(yùn)動。液晶網(wǎng)絡(luò)可精確操作的形變特性同樣可以應(yīng)用于偽裝和信息存儲等領(lǐng)域。其基本實(shí)現(xiàn)路徑是通過調(diào)控液晶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部化學(xué)組成、液晶相結(jié)構(gòu)、分子取向等，來預(yù)設(shè)指定的形狀作為被記錄的信息。在加工過程中改變材料外觀后將臨時(shí)形狀固定下來。而預(yù)設(shè)的形狀只有在特定外界刺激下材料才會顯示，實(shí)現(xiàn)信息的讀取。（圖2）

圖1：液晶單體交聯(lián)形成液晶網(wǎng)絡(luò)以及通過液晶相變帶動宏觀形變機(jī)理示意圖
圖源：液晶與顯示，2023,38(1): 49-59. Fig.1

圖2：基于含α-氰基苯乙烯基元液晶聚合物的信息存儲材料
圖源： Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7(5): 2002-2008.

▍顏色可編輯的液晶網(wǎng)絡(luò)體系

膽甾相液晶是一類典型的具有可調(diào)結(jié)構(gòu)色的智能材料。其分子指向矢按照一定方向沿軸旋轉(zhuǎn)形成螺旋結(jié)構(gòu)，具有對光的選擇性反射特性。當(dāng)螺距在可見光波長量級時(shí)，膽甾相液晶能夠選擇性地反射有色光。因此在反射器、偏振器、傳感和成像等方面得到了廣泛的應(yīng)用。將膽甾相引入到聚合物網(wǎng)絡(luò)中，選擇性反射、自組裝等特殊的性質(zhì)與聚合物網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、耐溶劑性等相結(jié)合。因此，膽甾相液晶網(wǎng)絡(luò)在制備多樣化的具備特殊光學(xué)性質(zhì)和可編輯圖案的器件方面可以得到很好的應(yīng)用。例如，利用手性光子材料對偏振光的選擇性能夠制備一種偏振光控制的涂層。如圖3所示，在非偏振光照射下，三葉草圖案和周圍區(qū)域之間可以看到輕微的色差，在左旋圓偏振光下，三葉草呈橙色可見而周圍仍呈綠色。在右旋圓偏振光下，三葉草呈綠色，其他區(qū)域是黑色。使用線偏振光（0°）時(shí)，三葉草呈橙色，而周圍區(qū)域是綠色。使用線偏振光（90°）時(shí)，三葉草呈綠色，而其他區(qū)域也呈綠色。

圖3：基于手性光子材料的與偏振光相關(guān)的圖像
圖源： Advanced Materials, 2019, 31(33): 1903120.

除了利用膽甾相液晶構(gòu)造結(jié)構(gòu)色以外，借助納米壓印和光刻手段也能夠在液晶聚合物中實(shí)現(xiàn)可調(diào)控的結(jié)構(gòu)色。Yu等人制作了一種偶氮液晶聚合物，在紫外光照射前后其分別擁有遠(yuǎn)高于室溫和低于室溫的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。利用這種特性開發(fā)了一種新的微納圖案加工方法。如圖4所示，首先將偶氮液晶聚合物薄膜涂覆在柔性基板上，然后通過非熱納米壓印與光刻相結(jié)合構(gòu)造了多個(gè)規(guī)整的微納結(jié)構(gòu)，從而呈現(xiàn)出與角度相關(guān)的彩色圖像。該非熱納米壓印和光刻技術(shù)的結(jié)合具有良好的壓印質(zhì)量和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。

圖4：非熱納米壓印與光刻技術(shù)制備的納米圖案
圖源： Angewandte Chemie International Edition, 2020, 59(10): 4035-4042.

▍形變與顏色協(xié)同編輯的液晶網(wǎng)絡(luò)體系

液晶網(wǎng)絡(luò)的形變模式和顏色變化可以被協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)多維度的信息存儲。該方式結(jié)合了形變和顏色圖案化存儲的優(yōu)勢，有利于提高信息的存儲量。Li等人將末端功能化的四苯基乙烯衍生物和光致變色螺吡喃基團(tuán)共價(jià)交聯(lián)液晶網(wǎng)絡(luò)中，利用液晶取向和光敏基團(tuán)的可操縱和可編輯性成功模擬了褶皺頸蜥蜴折疊其褶邊并同時(shí)變色的生物行為（圖5）。此外，借助熒光基團(tuán)在紫外/可見光照射下發(fā)生可逆的光異構(gòu)化，可以實(shí)現(xiàn)熒光圖案可逆地光寫入和光擦除。鍵合進(jìn)液晶網(wǎng)絡(luò)后，材料的形變模式也可以用光進(jìn)行編輯，并通過溫度來控制。于是材料中寫入的數(shù)據(jù)可以通過光控和溫控的結(jié)合逐步讀取，并實(shí)現(xiàn)多維信息存儲。這些工作為開發(fā)可在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行偽裝、信息存儲和傳遞的智能化器件提供了靈感。

圖5：基于四苯基乙烯衍生物和光致變色螺吡喃分子開發(fā)的可協(xié)同變形和熒光變色的液晶驅(qū)動器
圖源： Angewandte Chemie International Edition, 2021, 60(20): 11247-11251.

▍總結(jié)

本論文總結(jié)了可編輯的變色和形狀記憶液晶網(wǎng)絡(luò)材料在信息存儲方面的研究進(jìn)展。分別介紹了形狀記憶液晶網(wǎng)絡(luò)材料的多形變模式的作用機(jī)制以及信息存儲方式、具有可調(diào)結(jié)構(gòu)色或熒光的液晶網(wǎng)絡(luò)在可擦寫智能軟器件的應(yīng)用以及形狀顏色可協(xié)同調(diào)控的液晶網(wǎng)絡(luò)在偽裝、多級信息存儲與傳遞的應(yīng)用。希望能夠?yàn)樾滦投嗑S度存儲器件的開發(fā)提供一些啟發(fā)。目前研究者已經(jīng)開發(fā)出了多種可以應(yīng)用于偽裝、信息存儲的液晶網(wǎng)絡(luò)材料，然而這一領(lǐng)域仍然面臨很多挑戰(zhàn)。例如，顏色變化不夠豐富、聚合物網(wǎng)絡(luò)難以重復(fù)加工、多形變模式的分辨率較低等。因此，設(shè)計(jì)和引入更多的功能基團(tuán)，如光敏染料、動態(tài)化學(xué)鍵等，開發(fā)可精確、高分辨操控、可重復(fù)編輯的液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)體系會進(jìn)一步拓展其應(yīng)用前景。

| 論文信息 |

黃銀亮, 孫俊杰, 黃帥, 李全. 基于可編輯顏色和形狀記憶液晶網(wǎng)絡(luò)的信息存儲材料[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(1)：49-59.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0023

| 通訊作者介紹 |

黃帥，東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副研究員，東南大學(xué)至善青年學(xué)者。2019年博士畢業(yè)于北京大學(xué)材料科學(xué)與工程系。從事液晶超分子、液晶微納結(jié)構(gòu)組裝和調(diào)控以及基于功能液晶聚合物的智能材料與器件研究。目前已在 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等國際權(quán)威期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，主持國家自然科學(xué)基金與江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目，擔(dān)任 Angew. Chem. Int. Ed.、Light: Science & Applications等學(xué)術(shù)期刊審稿專家。
E-mail: huangshuai1991@seu.edu.cn

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