智能液晶聚合物薄膜可以变色 具有记忆和自愈功能

目前主流的变色材料主要由无机分子或变色染料分子组成。天津大学冯伟教授团队制备了厚度仅为200微米的智能变色液晶高分子薄膜，具有变色、记忆、自愈等功能。这种薄膜在许多领域显示出应用前景。

新买的包包可以随意变色，不小心划伤的衣服可以像皮肤一样愈合.这些似乎只在科幻电影中出现过的场景，逐渐变成了现实。

近日，天津大学冯伟教授成功研发出一种新型智能材料——智能变色液晶高分子薄膜(以下简称薄膜)。这种新材料不仅可以变色，还具有形状记忆和自愈功能。相关研究被选为封面文章，发表在国际期刊《德国应用化学》上。

通过液晶分子的周期性排列实现材料变色

在神奇的大自然中，经过亿万年的自然选择和进化，许多生物逐渐进化出了自适应变色伪装能力，从而可以随时躲避天敌。

比如变色龙可以主动控制细胞层中纳米晶体的排列结构，根据周围环境改变自身颜色，达到与背景颜色相匹配的目的。

研究发现，当变色龙处于平静状态时，其细胞层中的纳米晶体排列紧密，可以特异性地反射短波长可见光。在紧急情况下，变色龙会通过机械力的作用主动控制晶体的密度，使晶体的排列更加松散，选择性地反射波长更长的光。

“这些生物表皮独特的微纳光学结构和自主动态变色机制，为我们开发新型仿生智能变色材料提供了丰富的启示。”天津大学材料学院高分子系教授冯伟说。

近年来，国内外研究团队在仿生变色龙智能变色材料方面取得了一系列重要进展。胆甾相液晶等手性液晶材料是一类具有周期性螺旋超结构的手性软光子晶体，不仅可以选择性反射不同波长的可见光，还可以对力、热、电、光、磁等环境刺激产生灵敏响应，表现出结构颜色的动态变化。

在此基础上，冯伟团队将动态共价键分子与液晶单体混合，通过溶剂挥发使液晶单体分子自组装成周期性胆甾相液晶结构。最终通过光聚合得到厚度仅为200微米，具有拉伸变色、形状记忆和自愈功能的液晶聚合物薄膜。目前主流的变色材料主要由无机分子或变色染料分子构成，由有机高分子构筑的变色材料相对较少。

“根据布拉格反射公式，材料的反射波长与材料微结构的排列周期成正比。当光线照射到材料上时，只有特定波长的光能被材料反射，形成颜色，也就是俗称的结构色。”冯伟介绍，与染料的颜色不同，这种结构色会更鲜艳、更稳定。

薄膜中的液晶分子周期性排列。当薄膜被拉伸时，材料内部液晶分子的排列周期会缩短，从而导致反射颜色的变化。这种变色机理类似于变色龙的肤色，薄膜的结构色可以在可见光谱范围内动态调节。

引入动态共价键，使薄膜具有记忆性和愈合性。

该团队还将动态共价键分子引入液晶聚合物，使薄膜具有形状记忆功能和自修复功能。

“薄膜还具有‘记忆编程’的特性，可以拉伸成螺旋形、波浪形、圆柱形以及更复杂的2D或3D形状并保持不变。当薄膜被加热到相变温度以上时，它可以恢复到原来的形状。”冯伟解释说，这是因为供热法案

另外，由于聚合物网络中加入了动态共价键，遇到水分子会断裂，水分蒸发后，动态共价键会重新组合恢复初始状态，使薄膜具有自愈合能力。

这片子的自愈能力很惊人，自愈后还是很强的。团队将薄膜切割成两部分后，在受损的界面上滴上水，在室温下放置24小时，分离的两部分会自动愈合，愈合后的薄膜拉伸到原来长度的180%也不会断裂，可以承受自身重量的1000倍。

该研究为制备具有机械致变色、形状可编程和高效自愈合特性的液晶高分子材料提供了一种简单通用的方法，有望为开发仿生变色伪装材料、自适应光学系统和柔性机器人开辟新的方向。

堪比变色龙皮肤的“超材料”被广泛使用。

经过几十年的研发，智能变色材料的应用已经扩展到日常生活的各个领域。例如，美国的一家公司在陶瓷杯上使用了热变色涂料。当倒入热水时，常温陶瓷杯上的夜景会转化为白天的景象，通过图案的变化可以知道杯中水的冷热情况。

"具有结构色彩的材料已经广泛应用于生活中."冯伟举例说，在轮胎边缘加入适当的变色高分子材料，可以做出智能轮胎。当外部温度或内部温度超过轮胎的正常使用温度时，智能轮胎会改变颜色作为警告。变色高分子材料还可以用来制作变色窗玻璃和变色涂料，特别是变色窗，这是发达国家近几十年来的重要研究课题。目前已有电致变色调光玻璃的应用报道，而光致变色和热致变色智能窗户玻璃仍在进一步开发中。

智能变色材料还可以做成能指示冷热的智能产品。比如智能变色涂料可以涂在木材、金属、陶瓷等基材上，可以做成能指示冷热的变色茶杯，婴儿用的勺子、奶瓶等。

此外，变色圆珠笔油、变色指甲油、变色儿童玩具、热体温计等产品纷纷问世，极大地丰富了人们的生活。

防伪技术的研究一直是人们普遍关注的课题。到目前为止，防伪领域使用的方法大多是激光防伪，设备和成本昂贵。基于智能变色聚合物材料

目前，化学防伪标记一般直接印刷在商标、标签、封签或外包装上，因此制作化学防伪标记的关键是制备防伪印刷油墨，制备这种油墨的变色材料需要耐久性好、成本低，其变色发生的温度及变化的颜色要具有可选择性，因此智能变色材料也是化学防伪标记的首选材料。

将智能变色材料涂在织物上还可以做成变色服装，这种衣服穿在身上，会随着季节不同、地区不同、温度不同而呈现出不同的色彩。这种智能变色材料同样也可以用于桌布、窗帘等各种变色纺织品的生产。

“未来我们计划制备出仿变色龙皮肤的变色伪装材料，使材料的颜色能够与背景环境的颜色相匹配，实现变色伪装的目的。”封伟说。

此外，很多高分子材料如橡胶、塑料、涂料、纤维等都是重要的工业材料，每年磨损消耗巨大，而让这些材料拥有自愈合的能力，就可以提高它们的使用寿命，从而产生巨大的经济和社会效益。

不仅如此，我们生活中的很多高分子材料如塑料、橡胶等在长时间使用后会破损，如果这些材料能够自愈合，那么它们就会有更长的使用寿命，有利于减少环境污染和资源浪费。

“不过目前这种智能变色液晶高分子薄膜还处于实验室研究阶段，没有实现工业化生产。”封伟介绍，这是因为在制备方法上现在还有很多技术不成熟，如何精确控制液晶单体分子自组装，实现大面积、均匀的、明亮的结构色，这些仍是目前面临的难点。