一种可拉伸的发光手性液晶弹性体中的可编程偏振与结构色

《Responsive Materials》：Programmable polarization and structural color in a stretchable luminescent chiral liquid crystal elastomer

柔性液态晶体弹性体薄膜通过微腔共振和应变工程实现高荧光量子产率（73.6%）与圆偏振发光（CPL）不对称因子（g_lum=1.21）的协同优化，构建了三重加密原型，集成结构色调制、荧光激活和应变可控CPL，拓展柔性光电子在光学加密中的应用。

　　本研究聚焦于柔性发光材料的创新设计，特别是具有圆偏振发光（CPL）特性的材料。这类材料因其可调节的发光特性以及在机械变形下的响应能力，在可穿戴电子、光学传感以及信息加密等领域展现出巨大的应用潜力。然而，目前仍然面临一个关键的材料挑战，即如何在保持高发光效率的同时，实现显著的圆偏振发光性能。这一矛盾通常源于材料中手性结构与自猝灭现象之间的相互制约。为了解决这一问题，研究团队开发了一种新型的柔性手性液晶弹性体（LCE）薄膜，成功地将手性、荧光和弹性响应特性融合于单一材料中，从而实现多模态的光学调控功能。

该材料的核心在于其一维光子晶体结构的可调性。通过在弹性基质中均匀分布荧光分子，实现了较高的荧光量子产率（PLQY）。同时，通过精确匹配光子带隙与荧光发射光谱，显著提升了圆偏振发光的对称性，从而获得较高的发光不对称因子（g_lum）。此外，材料具备良好的应变响应能力，其带隙可以通过机械拉伸进行调控，且在反复拉伸过程中表现出优异的抗疲劳性能，确保了其光学性能的稳定性和可重复性。这些特性使得该材料能够在广泛的应变范围内实现可逆的偏振调控，为构建多功能的柔性光子器件提供了坚实的物理基础。

在应用层面，该材料被用于构建一种三重编码的柔性光子加密原型。这种原型结合了结构色变化、荧光激活以及应变可控的圆偏振发光，能够通过机械拉伸和紫外光照射实现信息的多重加密和解密。例如，在特定应变条件下，材料的结构色从红色向蓝色变化，同时荧光分子被激活，产生强烈的橙色发射信号。进一步的应变调控可以改变圆偏振发光的不对称因子，使得原本可见的信息被加密为另一种形式，从而增强了信息的安全性。这种多层编码机制不仅提升了材料在信息加密领域的适用性，还为其在安全通信、防伪技术和交互式显示等场景中的应用奠定了基础。

从技术实现的角度来看，该LCE薄膜的制备过程采用了两步法：首先通过迈克尔加成反应进行预聚，然后利用紫外光引发的丙烯酸酯交联完成最终的固化。为了确保材料在机械拉伸过程中仍能保持结构的均匀性和荧光的稳定性，研究团队对硫醇-丙烯酸酯的比例进行了精确调控，使其接近化学计量比。此外，通过引入少量的平面、非手性荧光分子PM597，有效抑制了手性分子在弹性基质中的聚集导致的自猝灭现象，从而在保持材料手性结构的同时，实现了高效的荧光发射。这一设计策略不仅提升了材料的光学性能，还降低了实际应用中的成本。

在光物理特性方面，该材料表现出优异的荧光寿命和光子带隙调控能力。通过时间分辨荧光光谱分析，研究团队发现PM597在LCE基质中的荧光寿命比在溶液中有所增加，这主要归因于材料的高粘度和刚性结构，有效抑制了非辐射衰变通道，提高了辐射复合效率。同时，光子带隙的调控能力使得材料能够在不同的应变条件下实现光谱的动态变化。当材料被拉伸时，其手性结构的周期性发生变化，从而调整光子带隙的位置，使得特定波长的光被选择性反射。通过精确控制光子带隙与荧光发射光谱的重叠，研究团队实现了对圆偏振发光的增强，进一步验证了材料在光子晶体设计中的优势。

在机械性能方面，该LCE薄膜展现出卓越的延展性和抗疲劳能力。其断裂伸长率高达352%，表明材料在拉伸过程中能够承受较大的形变而不发生断裂。同时，经过20次拉伸-加热-恢复循环后，材料仍能保持较高的光学性能，显示出其在反复使用中的稳定性。这些机械性能的优化不仅保证了材料在动态环境中的适用性，还为其在实际应用场景中的长期可靠性提供了保障。

从实验验证的角度来看，该材料的光学性能和机械响应得到了多种表征手段的支持。紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、量子产率测量、圆偏振发光光谱以及反射光谱等分析手段共同揭示了材料在不同应变条件下的光学行为。此外，偏振光学显微镜（POM）和广角X射线散射（WAXS）等技术进一步证明了材料在拉伸过程中的结构变化，包括从多畴结构向单畴结构的转变。这些结构变化不仅影响了材料的光子带隙特性，还对其圆偏振发光性能产生了显著影响。

在应用场景方面，该材料的多功能特性使其成为可穿戴电子和光学传感领域的重要候选材料。通过应变调控，材料能够实现从静态发光到动态发光的转变，为开发具有自适应功能的柔性光子器件提供了新的思路。此外，其在信息加密中的应用也展现出独特的优势。通过结合结构色变化、荧光激活和圆偏振发光调控，该材料能够在不同的物理刺激下实现信息的多层级加密和解密，从而满足高安全性的需求。这种可逆的编码机制为未来在智能显示、安全通信和防伪技术等领域的应用提供了广阔的空间。

综上所述，这项研究不仅解决了柔性CPL材料中长期存在的发光效率与圆偏振性能之间的矛盾，还为开发具有多重功能的柔性光子材料提供了新的策略。通过将手性结构、光子晶体特性和弹性响应特性有机结合，研究团队成功构建了一种具有高量子产率、可调圆偏振发光以及良好机械性能的多功能材料平台。这种材料的出现，不仅拓展了柔性光子材料在可穿戴设备和光学传感中的应用边界，也为下一代多模态信息编码系统的发展提供了重要的理论和技术支持。未来，随着材料科学和光学工程的进一步发展，这种新型柔性光子材料有望在更多高附加值领域中发挥重要作用。