浙江大学等《先进材料》颜色/形状响应3D打印仿

【科学背景】

在功能材料中，具有液体流动性和晶体有序性的液晶（LC）在仿生系统的开发中显示出巨大的潜力。例如，胆甾型LC（CLC）自发地具有周期性的螺旋结构，分子导向器处理的方向沿着螺旋轴。当由于选择性布拉格反射而使CLC的螺距与可见光的波长相当时，会出现结构颜色。可以根据外部刺激（例如温度，光，溶剂溶胀和机械拉伸）改变螺旋螺距来调整反射光的颜色。因此，已经开发出了基于CLCs特性的软机器人，人造肌肉和生物传感器来模仿自然生物的性能。

【科研摘要】

响应于伪装，交流或繁殖的环境刺激，自然界中的活生物体对其颜色，形状和形态具有惊人的控制能力。浙江大学陈东/中科院物理所叶方富研究员团队受章鱼的色素细胞的伸长或收缩伪装的启发，胆甾型胆甾型液晶液滴分散在聚合物基质中，充当色素细胞的角色，并由于其周期性螺旋结构的选择性布拉格反射而表现出结构颜色。相关论文题为3DPrinted Biomimetic Systems with Synergetic Color and Shape Responses Based on Oblate Cholesteric Liquid Crystal Droplets发表在《Advanced Materials》上可以通过手性掺杂剂浓度或温度改变螺旋间距来调整3D打印仿生系统的颜色。当将扁圆的液晶液滴加热到各向同性时，不透明和有色的仿生系统变得透明和无色。同时，各向同性液晶液滴趋于变成球形，从而引起沿膜平面的体积收缩和沿垂直方向的体积膨胀。内应变与扁形各向同性液晶液滴的梯度分布相结合，导致相应的形状转换。仿生章鱼的伪装和仿生花的花朵，都显示出协同的颜色和形状响应，被证明可以激发功能材料和智能设备的设计。

【图文解析】

典型的CLC 8CB / 2.8％R5011具有Iso（37°C）Chol（24°C）SmA的相序。首先在PVA水溶液中乳化CLC，形成球形CLC液滴，如图1a所示。为了将球形CLC液滴分散的PVA解决方案打印到所需的仿生系统中，我们修改了3D打印机并使用3D打印系统来精确控制打印头的位置和注射泵的注入。然后将分散在PVA溶液中的CLC小滴打印到仿生章鱼中，如图1b所示。随着水的蒸发，球形CLC液滴被挤压成扁平CLC液滴，伴随着不透明的白色章鱼变成不透明的彩色章鱼（图1c）。如图1d所示，加热后，扁圆形的CLC液滴转变为扁圆形的ILC液滴，并且不透明且有色的章鱼变得透明无色。例如，当温度从25升高到35°C时，扁形CLC液滴的螺旋间距会发生变化，并且反射的颜色也会发生变化；如图1e所示，仿生章鱼可以模仿真实章鱼的伪装，并通过根据环境颜色更改其颜色而变得不可见。此外，当遥控灯将温度进一步加热到45°C时，扁圆的CLC液滴过渡为扁圆的ILC液滴，仿生章鱼显示出协同的颜色和形状响应，变得透明无色，并使其形状与岩石一致，如图1f所示。

图1 具有协同作用的颜色和形状响应的3D打印仿生章鱼。a，b）将球形CLC液滴分散的PVA解决方案3D打印成章鱼形状。c）水蒸发后，球形CLC小滴被挤压成扁圆形CLC小滴，不透明的白色章鱼变成不透明的彩色章鱼。d）加热后，不透明和彩色的章鱼变得透明无色。e）不透明的，有色的章鱼通过根据环境改变颜色而变得不可见。f）章鱼在黑色岩石上的伪装，变得透明无色，并使其形状与岩石相符。

如图2a所示和图2c所示，湿的PVA膜不透明且呈白色，因为分散在膜中的球形CLC液滴随机散射光。相反，干燥的PVA膜是不透明的，并且由于扁平的CLC液滴对光的选择性布拉格反射而着色，如图2c所示和图2d所示。伴随形状变形，在恒定层间距的约束下，球形CLC液滴中的点缺陷变为扁平CLC液滴中的环形缺陷，如图2e所示的时间序列直接证实的那样。

图2 CLC液滴分散的PVA膜。a）分散在湿式PVA膜中的CLC液滴是球形的，该膜是不透明的白色。b）将干燥的PVA薄膜中的CLC液滴挤压成扁圆形，薄膜变得不透明并着色。c）示意图显示球形CLC液滴对光的随机散射。d）示意图显示扁圆CLC液滴对光的选择性布拉格反射。e）时间序列显示了水蒸发时球形CLC液滴被挤压成扁形CLC液滴，以及CLC螺旋轴垂直于水平薄膜平面的中心区域的扩展。该系统为5CB/2.8％R5011混合物。P表示偏振片，A表示检偏器。

当5CB/R5011混合物中的手性掺杂剂浓度从1.8％增加到2.8％时，如图3a所示，选择性反射光谱的峰从543 nm移至440 nm，颜色从绿色变为蓝色。因此，螺旋间距p与手性掺杂剂浓度c成反比，如图3b中的DTLM图像所进一步证实的。当扁晶状的LC液滴从近晶状晶体加热时，螺旋结构逐渐发展，螺旋节距减小，从而呈现出从红色到蓝色的蓝移颜色变化，如图3c所示。除了螺旋螺距外，反射光的波长还可以通过入射光的角度进行调整，并且当以0°，45°的不同角度观看薄膜时，薄膜的颜色也会发生变化，并且掠入射如图3d所示。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/zonghexinwen/2021/0218/371.html