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  動物之間常通過顏色變化來傳遞信號。在感知到外界環(huán)境變化時，它們通過改變自身的顏色實現(xiàn)偽裝、恐嚇、警戒、求偶等行為。響應性光子晶體被認為是模仿變色行為的最佳材料，在外界刺激的誘導下，光子晶體通過改變自身周期結構來調控反射波長，即實現(xiàn)視覺上的顏色變化。然而，現(xiàn)有的體系變色范圍有限，使得顯示的圖案需要犧牲一種顏色作為背景。也就是說，無法顯示黑色，還不能真正做到“全彩”，這嚴重制約了該類材料的應用與發(fā)展。

  最近，復旦大學材料科學系俞燕蕾教授課題組突破上述難關，設計開發(fā)了一種新型光響應超分子材料--——分段調控膽甾相液晶。基于該材料制備的光子晶體具有超寬的顏色調控范圍，能夠在黑色背景上顯示各色圖案，甚至在同一個背景上顯示不同顏色的圖案。研究者別出心裁的將“國粹”麻將圖案融入到材料的功能展示過程中，充分體現(xiàn)了科研與生活的完美結合。

  變色過程分為兩步：首先，利用可見光刺激將光子晶體調控到想要的顏色；隨后，將刺激光源換成紫外光，再結合各式各樣的掩膜版，就能得到“黑底彩圖”，操作起來非常簡單易行。之所以選擇光作為刺激源，俞燕蕾教授表示，光是一種清潔能源，并且在遠程、精確、定點控制上具有得天獨厚的優(yōu)勢，我們一直致力于“讓液晶材料隨光起舞”。

圖1 新型膽甾相液晶的顏色調控及其圖案化過程展示

  顯示“黑色”看似簡單，實則需要膽甾相液晶的核心成分——手性分子具有很寬的調控范圍，反射波長在保證覆蓋整個可見光譜的前提下，進一步延伸至近紅外光區(qū)域。由于近紅外光無法被人的眼睛識別，所以顯示出黑色背景。為實現(xiàn)這一目標，研究者精心設計了一種新型三穩(wěn)態(tài)手性分子，巧妙的將兩種偶氮苯連接在聯(lián)萘手性中心上。偶氮苯和含氟偶氮苯在紫外光和藍光的刺激下均分別發(fā)生trans-cis和cis-trans異構化反應。但是，當使用綠光作為刺激源時，偶氮苯由cis回復到trans，含氟偶氮苯卻由trans異構化為cis。正是由于兩種偶氮苯在這三種光刺激下的異構化反應不盡相同，該手性分子可以產(chǎn)生3種穩(wěn)定構型，為膽甾相液晶提供2個調控波段。3種構型空間結構存在巨大差異，導致螺旋扭曲力的變化非常大（D = 87%），這為拓寬調控范圍奠定了基礎。

圖2 三穩(wěn)態(tài)手性分子的結構和不同波長光刺激下三種構型之間的可逆變化

  僅需強度為幾十毫瓦每平方厘米的可見光刺激，該手性分子就可以在構型I和II之間轉變，引起膽甾相液晶材料的反射波長在可見光范圍內可逆變化，顏色豐富鮮艷，響應速度快。在紫外光的刺激下，手性分子轉變?yōu)闃嬓虸II，反射波長從670 nm紅移至2100 nm，在近紅外區(qū)域擁有寬達1430 nm的調控范圍。該材料有望在防偽、彩色電子書、光擦寫顯示器等領域大展拳腳。

圖3 膽甾相液晶反射波長的分段調控，包括可見光和近紅外光區(qū)域

  相關研究成果最近以Piecewise Phototuning of Self-Organized Helical Superstructures為題發(fā)表于Advanced Materials，文章的第一作者為復旦大學材料科學系博士研究生秦朗，通訊作者為俞燕蕾教授。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704941/full