《Light-Science & Applications》：Paintable soft photonic architectures featuring multi-stable light-actuation
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为解决传统液晶光子器件难以兼顾可涂布性、高分辨率、有序光子结构及多稳态光响应等关键挑战，研究人员开发了一种基于乙基纤维素和本征手性光开关的可涂布液晶光子墨水。该研究实现了在柔性基底上单步涂布制备具有宽谱可逆调控（450-950 nm）和多稳态特性的软光子架构，为防伪、信息加密及智能窗膜等应用提供了新策略。
在智能软材料与响应式光学领域，光致动可涂布液晶光子器件因其在下一代智能系统中的巨大潜力而备受关注。然而，其发展长期受限于三大技术瓶颈：首先，传统液晶体系流动性强，难以实现精确可控的涂布粘度和高分辨率图案化；其次，在涂布过程中，如何维持液晶光子结构的有序性是一大难题；最后，实现具有多稳态特性的光响应行为，即材料能在光照停止后稳定地保持在中间状态，是提升器件功能性的关键。
针对这些挑战，华东理工大学朱为宏教授和郑致刚教授团队在《Light: Science & Applications》上发表了一项突破性研究。他们通过将一种本征手性光开关引入到纤维素基液晶体系中，成功构建了一种独特的可涂布螺旋光子架构。该架构不仅具备多稳态特性，还能通过光照进行动态调控，为智能软材料光子学开辟了新的道路。
为了开展这项研究，作者团队主要采用了以下关键技术方法：首先，他们设计并合成了具有优异热稳定性的本征手性光开关分子，作为调控液晶螺旋结构的关键组分。其次，他们开发了一种粘度调控策略，通过将乙基纤维素作为多功能添加剂引入液晶体系，精确调控了墨水的流变学性质，使其具备优异的涂布性能。最后，他们利用丝网印刷等单步涂布技术，在多种柔性基底上实现了大面积、高分辨率的图案化制备，并系统表征了其光学性能、稳定性和应用潜力。
Paintable soft photonic architectures: high viscosity and multi-stability
为了获得由光控制的宽范围结构色，研究人员将一种本征手性二芳基乙烯衍生物作为构建胆甾相液晶的基本单元。该光开关具有三个关键特征：避免了多中心手性、显著的螺旋螺距调制能力以及优异的热稳定性。然而，该液晶体系粘度不足，在垂直基底上会留下明显的流动痕迹，图案边界模糊。为解决此问题，研究人员开发了一种粘度调控策略，通过将乙基纤维素可控地掺入液晶基质中。当液晶与乙基纤维素的质量比为1:1时，体系在光学可调性和最佳粘度之间取得了平衡。优化后的体系在垂直基底上表现出极小的流动性和清晰的图案边界，并在PET、PMMA、纸张和木材等多种基底上实现了高清晰度的图案化，显示出优异的涂布兼容性。此外，该柔性光子架构表现出优异的抗疲劳性，在紫外光和可见光交替照射下，经过至少30次循环，其反射颜色在紫色和红色之间切换几乎保持不变。同时，该材料还具备优异的热稳定性，在不同温度下放置30天后，其颜色和性能均未受影响。
Paintable soft photonic architectures: wide and reversible color-tunability
该体系不仅具有基底无关的图案化能力，还表现出宽光谱和完全可逆的光学可调性。通过偏振光学显微镜观察，可涂布光子架构在365 nm紫外光照射下，反射颜色从最初的深紫色依次转变为蓝色、绿色、黄色、红色，最终在21秒后达到深红色的光稳态。随后，通过530 nm可见光照射44秒，可以完全恢复到初始状态。利用光纤耦合光谱仪进行定量表征，该液晶基光子架构表现出优异的光谱可调性，其动态可调反射带范围从450 nm覆盖至950 nm，且该光谱变化在可见光照射下可逆。光谱调制精确且无明显光谱畸变，证明了可涂布液晶光子超结构的固有均匀排列。
Paintable micropatterns with distinct optical diffraction
与传统液晶微图案化技术不同，该液晶体系能够通过单步涂布工艺在柔性基底上直接制造微图案。研究人员通过丝网印刷，在PET薄膜上成功制备了一维光栅、叉形光栅、二维光栅和周期性同心圆等四种光学微图案。这些样品在紫外光照射下，依次经历了从紫色到蓝色、绿色、黄色，最终稳定在红色的颜色转变，整个过程图案边界清晰。利用633 nm激光研究这些微图案的光学特性，当入射光波长与图案化液晶架构的选择性反射带匹配时，由于布拉格反射，在接收屏上观察到了水平分布、环形、棋盘格分布和圆形等不同的衍射光斑，进一步证实了这些可涂布微图案的优异稳定性和锐利边缘。
Multiple anti-counterfeiting labels
作为概念验证，研究人员利用可涂布液晶体系，在PET薄膜上实现了“房屋”图案的单步直写，并成功结合了凹槽嵌入式封装与磁性基底集成技术。该光学图案在反复摩擦和弯曲后，反射光谱几乎保持不变，且对铁表面保持良好的附着力。在持续紫外光照射下，图案呈现出从紫色到蓝色、绿色、黄色、红色，最终到深红色的连续颜色变化，且该过程在可见光照射下可逆。得益于其优异的热稳定性，任何中间状态的图像均保持不变，无颜色退化或边界扩散，展示了体系固有的多稳态特性。研究人员还设计了一种数字彩色显示器件，通过精确控制局部照射时间，可以显示0-9的数字。此外，在奖杯、奖牌和证书上成功生成了彩色的“HONOR”、“ECUST logo”和“玫瑰”图案，这些图案可通过控制光照区域进行可逆显示和加密。
Multifunctional smart window-film
得益于可涂布光子架构的宽可逆颜色可调性，研究人员开发了一种多功能智能窗膜。根据太阳光中紫外光强度的不同，窗膜呈现出从可见光谱到近红外范围的不同结构色。在太阳光照射下，结构色逐渐红移；在室内白光下，薄膜发生可逆蓝移，恢复其可见光谱范围内的结构色。此外，通过受控的图案遮光结构，可以在薄膜上创建天鹅、蝴蝶和叶子等装饰图案，这些图案在保持其固有光子特性的同时，呈现出动态的光相互作用。值得注意的是，白天在阳光下呈现的近红外结构色可以有效阻挡热量。实验对比发现，涂有光子架构的PET表面的升温速率显著降低，温度比纯PET表面降低了近1°C，有效降低了能耗。利用液晶独特的光散射行为，该薄膜还创造了有趣的雾状效果。当观察距离超过45 cm时，透射率急剧下降至接近零，有效遮蔽视线，确保隐私；当观察者移动到5 cm以内时，透射率恢复到约90%，恢复对周围环境的清晰视野。
该研究首次建立了一个多功能的材料和制造平台，通过单步涂布实现了在多种基底上具有优异光子性能的液晶软螺旋架构，同时实现了可编程的多稳态光致动。独特的内禀手性光开关促进了多稳态手性液晶系统的构建，能够在整个可见光到近红外光谱范围内对结构色进行数字光编程。这些手性光子架构通过使用乙基纤维素的粘度工程单步涂布方法转移到各种柔性基底上，实现了任意宏观和微观图案的可定制涂布。利用这些特性，研究人员扩展了光子应用的范围，如防伪、信息加密和智能窗膜，巩固了其在未来新兴光子技术中的多功能性和变革潜力。这种利用光可编程多稳态的可涂布液晶架构，为开发软物质光子学中的智能光敏材料奠定了坚实的基础，标志着该领域范式转变的科学贡献。
