《Accounts of Materials Research》：Innovative Applications Enabled by the Versatile Structural Color of Cholesteric Liquid Crystals
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本綜述聚焦于膽甾相液晶（CLCs）從流動液體到硬質(zhì)玻璃或彈性體聚合固化的最新進(jìn)展，展示了其作為布拉格反射器產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)。文章重點(diǎn)介紹了三種突破性應(yīng)用：基于膽甾相球形反射體（CSRs）的物理不可克隆功能（PUF）安全認(rèn)證與隱形信息編碼、基于聚合CLC薄膜的彩色太陽能電池（實(shí)現(xiàn)高效率偽裝），以及基于CLC彈性體（CLCEs）的機(jī)械致變色涂層用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）。這些跨領(lǐng)域的應(yīng)用證明了這一經(jīng)典材料在應(yīng)對當(dāng)今社會和技術(shù)挑戰(zhàn)中的巨大潛力與革新價(jià)值。
引言
膽甾相液晶（CLCs）因其介觀分子能夠自組裝成周期性的螺旋結(jié)構(gòu)而聞名，這種結(jié)構(gòu)具有布拉格反射特性，能選擇性地反射特定波長的可見光，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)色。盡管這一現(xiàn)象已被發(fā)現(xiàn)超過一個(gè)世紀(jì)，但近年來，通過將反應(yīng)性介晶（reactive mesogens）聚合固化并結(jié)合先進(jìn)的液體加工技術(shù)（如微流控、3D打印），CLCs已從傳統(tǒng)的熱致變色傳感器，拓展至一系列具有高度社會與工業(yè)相關(guān)性的創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域。
基于膽甾相球形反射體（CSRs）的安全認(rèn)證
CLCs可以被加工成具有徑向螺旋軸的球形反射體并聚合成硬質(zhì)玻璃，即膽甾相球形反射體。其獨(dú)特的光學(xué)響應(yīng)，包括全向選擇性布拉格逆向反射，使其成為制造物理不可克隆功能（PUF）的理想材料。通過將不同類型的CSRs隨機(jī)沉積在物體表面形成獨(dú)特的“指紋”，結(jié)合算法分析其在特定照明條件下的光學(xué)響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)高安全性的物品防偽認(rèn)證。這一技術(shù)已被應(yīng)用于珠寶、藝術(shù)品乃至藥品的防偽。
利用CSR光學(xué)實(shí)現(xiàn)人眼不可見的信息編碼
CSRs的另一個(gè)重要應(yīng)用是創(chuàng)造對機(jī)器可見、對人眼隱形的圖形標(biāo)記，如基準(zhǔn)標(biāo)記（fiducial markers）或QR碼。關(guān)鍵在于利用CSR反射光的圓偏振特性。通過使用左右旋圓偏振濾光片分別拍攝同一場景，然后進(jìn)行圖像相減，可以高效地消除背景，僅凸顯出CSR標(biāo)記，從而為機(jī)器人導(dǎo)航和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）設(shè)備提供不干擾視覺環(huán)境的高對比度引導(dǎo)信號。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)隱形，CSR的反射波長可以被設(shè)計(jì)在近紫外（UV）區(qū)域，或使其顏色與環(huán)境背景匹配。
利用CSRs實(shí)現(xiàn)多功能結(jié)構(gòu)色
結(jié)構(gòu)色通常面臨視角依賴性強(qiáng)、無法產(chǎn)生非光譜色（如白色、灰色）的局限。CSRs因其球形和離散的“像素”特性，為解決這些問題提供了可能。通過混合反射紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）光的CSRs，可以實(shí)現(xiàn)類似RGB顯示器的混色效果，生成包括白色在內(nèi)的多種顏色。然而，由于斜入射反射和光子交叉通信（photonic cross communication）等效應(yīng)，精確調(diào)控表觀顏色比傳統(tǒng)顏料更為復(fù)雜，但通過策略性地調(diào)整CSR的反射波長可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)色彩。
聚合的扁平膽甾相液晶薄膜
制造高效彩色太陽能電池
將可聚合的CLC前驅(qū)體液涂覆在太陽能電池表面并圖案化，可以在幾乎不犧牲光電轉(zhuǎn)換效率（可保持90%以上）的前提下，為太陽能電池板賦予顏色。這種方法生成的建筑一體化光伏（BIPV）組件能更好地融入建筑環(huán)境（如木質(zhì)外墻），解決了傳統(tǒng)黑色光伏板造成的視覺污染問題。其原理是CLC薄膜僅反射與其螺旋手性相同的圓偏振光，另一半光仍可被電池吸收利用。
利用膽甾相橡膠涂層進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
通過化學(xué)交聯(lián)制成的CLC彈性體（CLCEs）具有顯著的機(jī)械致變色特性：當(dāng)薄膜在面內(nèi)被拉伸時(shí)，其厚度減小，導(dǎo)致螺旋節(jié)距（pitch，p）同步減小，反射光發(fā)生藍(lán)移。這一特性可被用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）。將CLCE涂層涂覆在混凝土、鋼材等結(jié)構(gòu)表面，任何裂紋的產(chǎn)生都會引起涂層局部拉伸和顏色變化，從而實(shí)現(xiàn)對裂紋的早期、可視化檢測。與昂貴且離散的傳統(tǒng)電子傳感器相比，這是一種低成本、連續(xù)覆蓋的監(jiān)測方案。
膽甾相橡膠纖維
將CLCE加工成纖維形態(tài)，可將其機(jī)械致變色特性拓展至可穿戴領(lǐng)域。通過模板法或涂覆旋轉(zhuǎn)芯軸等方法，可以制備出圓柱形或帶狀CLCE纖維。這些纖維可縫入或織入紡織品，用于監(jiān)測運(yùn)動、醫(yī)療康復(fù)或時(shí)尚領(lǐng)域中的應(yīng)變變化。例如，打結(jié)過程中的張力變化會直接通過纖維的顏色變化反映出來。
結(jié)論與展望
聚合CLC材料通過結(jié)合自組裝液體的易加工性和固化后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為安全防偽、隱形編碼、可再生能源整合和基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測等關(guān)鍵領(lǐng)域提供了創(chuàng)新的解決方案。未來的挑戰(zhàn)主要在于規(guī)模化生產(chǎn)、降低成本以及提升材料的長期耐久性。探索使用纖維素、甲殼素等生物衍生材料作為CLC前驅(qū)體，有望推動該技術(shù)更廣泛、更可持續(xù)的應(yīng)用。跨學(xué)科的合作與知識交流，是發(fā)掘這一經(jīng)典材料更多顛覆性應(yīng)用潛力的關(guān)鍵。
