可重构结构色：通过胶体盘状液晶取向的可逆切换实现光学材料响应性调控

《Cell Reports Physical Science》：Reconfigurable structural color by reversible switching of colloidal discoid liquid crystal alignment

本刊推荐：研究团队针对结构色材料响应速度慢的问题，开展了基于交流电场控制胶体盘状液晶取向的研究。通过施加≥0.50 V的AC电场(1 kHz)，实现了盘状颗粒在平面排列(θtilt>45°)和垂直排列之间的可逆切换，切换时间约100-300秒。该技术通过调控微观取向实现了衍射效率的显著变化(峰值波长从563 nm红移至631 nm)，为开发响应性光学材料提供了新思路。

　　

在追求可持续着色技术的道路上，结构色作为一种通过微观结构与光相互作用产生颜色的物理现象，展现出比传统化学颜料更优越的耐久性。然而，现有结构色材料往往面临响应速度慢、可逆性差等挑战。受到头足类动物和霓虹灯鱼通过调整皮肤中血小板排列来改变颜色的自然启发，研究人员开始探索如何在外场控制下实现结构色的快速可逆调控。

在这项发表于《Cell Reports Physical Science》的研究中，Syahidah Mohd Khairi和Michael J. Solomon开发了一种基于交流电场控制胶体盘状液晶取向的新方法，实现了结构色的快速可逆切换。研究人员通过热机械压缩法合成了微米级聚苯乙烯盘状颗粒(直径3.7-3.9 μm，纵横比0.45-0.54)，将其悬浮在异丙醇-水混合溶剂中，并置于带有氧化铟锡电极的样品池内。通过施加1 kHz的方波交流电场，结合沉降自组装过程，成功实现了盘状颗粒取向的精确控制。

研究采用的关键技术包括：热机械压缩法制备各向异性盘状颗粒、交流电场诱导的液晶取向控制、共聚焦激光扫描显微镜实时监测颗粒取向动态变化、可见-近红外透射光谱测量光学响应特性，以及有限差分时域法进行光学散射模拟。这些技术的综合应用使得研究人员能够从微观结构到宏观光学性能进行全面表征。

循环交流电场重构盘状颗粒取向

研究发现，通过循环施加交流电场可以可逆地改变盘状颗粒的排列方式。在无电场条件下，颗粒因沉降作用呈现垂直排列(向列排列)，即盘状颗粒的短轴垂直于基底。当施加≥0.50 V的交流电场时，颗粒在约100秒内转变为平面排列(平面排列)，短轴平行于基底。移除电场后，颗粒在约300秒内恢复至垂直排列。通过量化倾斜角θ_tilt和分析平面排列颗粒百分比P_⊥，研究人员证实了这种取向转变的高度可逆性。

较高电压加速取向切换动力学

随着交流电压从0.25 V增加至1.00 V，平面排列的稳态百分比P_⊥,SS显著提高，在0.50 V及以上电压时接近100%。同时，取向切换的时间常数τ随电压增加而减小，在0.75 V以上达到平台。这表明存在一个约0.50 V的阈值电压，超过该阈值时电场扭矩足以克服重力扭矩，实现有效的取向切换。

盘状颗粒取向变化的建模分析

通过建立扭矩平衡模型，研究人员分析了电场诱导扭矩(T_AC)和重力扭矩(T_g)对颗粒取向的影响。计算表明，在θ_tilt=45°、V_AC=0.50 V条件下，旋转佩克莱数Pe_r,AC=10，Pe_r,g=7.3，均大于1，证实了取向变化的确定性特征。模型预测的切换时间常数与实验测量结果吻合良好，特别是在低浓度条件下。

循环电场诱导的结构色变化

取向变化显著影响了材料的光学响应。在θ_m=10°的测量条件下，衍射光谱峰值波长从垂直排列时的563 nm红移至平面排列时的631 nm，衍射效率提高约一倍。光谱角映射分析显示，在V_AC≥0.40 V时，两种状态间的光谱差异达到最大值约0.50弧度，证实了结构色的显著重构。

十次循环中的取向和光学响应稳定性

经过十次循环测试，盘状颗粒的取向切换仍能保持，但随循环次数增加，P_⊥的变化幅度逐渐减小。然而，光学响应参数SAM值的降低并不显著，表明材料的光学重构性能相对稳定。这种性能衰减主要归因于部分颗粒在循环过程中逐渐吸附于基底。

研究结论与讨论部分强调，这种基于简单介电盘状颗粒的取向控制方法为可重构功能材料开辟了新途径。与基于组装/解组装机制的传统方法相比，局部取向变化驱动的重构机制具有更快的动力学特性。扭矩平衡模型成功预测了取向切换的阈值电压和动力学过程，为设计其他各向异性颗粒系统提供了理论指导。

该技术的重要意义在于其可扩展性和简单性，仅通过电场开关即可实现光学性能的按需调控，在形态变色涂层、防伪技术等领域具有广泛应用前景。未来研究可探索将这种方法应用于数百纳米尺度的颗粒系统，并通过Bragg衍射机制实现可见光范围的结构色调控。同时，通过增强颗粒与基底间的排斥作用，有望进一步提高取向切换的循环稳定性。