液晶聚合物網絡材料在人工肌肉、軟體機器人、微流控制器和4D打印材料等智能軟器件領域具有很好的應用前景。液晶網絡在化學結構上同時包含聚合物交聯網絡和液晶基元，在性能上同時具備聚合物的可加工性、化學穩定性和力學特性以及液晶可調的各向異性，因此具有外觀易編輯、功能可調、對多種刺激都能響應等優點。利用這些特點，可以將指定的形狀或顏色信息精確地寫入到材料中，同時在特定外界刺激（光，熱，電場，溶劑等）下使信息再次顯現，實現信息的存儲、加密與讀取。

近日，東南大學智能材料研究院黃帥副研究員與李全院士合作以“基于可編輯顏色和形狀記憶液晶網絡的信息存儲材料”為題在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus收錄、中文核心期刊）2023年第1期發表文章。文章論述了具有可編輯顏色和形狀記憶性質的液晶網絡材料在信息存儲中的作用機制，重點討論了液晶網絡材料在偽裝、多級信息存儲與信息傳遞等方面的應用研究進展。

▍形狀可編輯的液晶網絡體系

具有取向的液晶網絡發生液晶相向各向同性相變轉變時，會在局部區域產生體積變化，帶動材料產生宏觀運動（圖1）。通過不同的取向模式設計，能夠實現螺旋卷曲、彎曲、折疊等多種模式的形變。當液晶取向恢復到預設的初始狀態時，材料形狀也發生回復。通過引入光敏組分能夠實現光控形變。典型的是含有偶氮苯衍生物的液晶網絡在紫外光或可見光控制下的運動。液晶網絡可精確操作的形變特性同樣可以應用于偽裝和信息存儲等領域。其基本實現路徑是通過調控液晶網絡內部化學組成、液晶相結構、分子取向等，來預設指定的形狀作為被記錄的信息。在加工過程中改變材料外觀后將臨時形狀固定下來。而預設的形狀只有在特定外界刺激下材料才會顯示，實現信息的讀取。（圖2）

圖1：液晶單體交聯形成液晶網絡以及通過液晶相變帶動宏觀形變機理示意圖
圖源：液晶與顯示，2023,38(1): 49-59. Fig.1

圖2：基于含α-氰基苯乙烯基元液晶聚合物的信息存儲材料
圖源： Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7(5): 2002-2008.

▍顏色可編輯的液晶網絡體系

膽甾相液晶是一類典型的具有可調結構色的智能材料。其分子指向矢按照一定方向沿軸旋轉形成螺旋結構，具有對光的選擇性反射特性。當螺距在可見光波長量級時，膽甾相液晶能夠選擇性地反射有色光。因此在反射器、偏振器、傳感和成像等方面得到了廣泛的應用。將膽甾相引入到聚合物網絡中，選擇性反射、自組裝等特殊的性質與聚合物網絡的穩定性、耐溶劑性等相結合。因此，膽甾相液晶網絡在制備多樣化的具備特殊光學性質和可編輯圖案的器件方面可以得到很好的應用。例如，利用手性光子材料對偏振光的選擇性能夠制備一種偏振光控制的涂層。如圖3所示，在非偏振光照射下，三葉草圖案和周圍區域之間可以看到輕微的色差，在左旋圓偏振光下，三葉草呈橙色可見而周圍仍呈綠色。在右旋圓偏振光下，三葉草呈綠色，其他區域是黑色。使用線偏振光（0°）時，三葉草呈橙色，而周圍區域是綠色。使用線偏振光（90°）時，三葉草呈綠色，而其他區域也呈綠色。

圖3：基于手性光子材料的與偏振光相關的圖像
圖源： Advanced Materials, 2019, 31(33): 1903120.

除了利用膽甾相液晶構造結構色以外，借助納米壓印和光刻手段也能夠在液晶聚合物中實現可調控的結構色。Yu等人制作了一種偶氮液晶聚合物，在紫外光照射前后其分別擁有遠高于室溫和低于室溫的玻璃化轉變溫度。利用這種特性開發了一種新的微納圖案加工方法。如圖4所示，首先將偶氮液晶聚合物薄膜涂覆在柔性基板上，然后通過非熱納米壓印與光刻相結合構造了多個規整的微納結構，從而呈現出與角度相關的彩色圖像。該非熱納米壓印和光刻技術的結合具有良好的壓印質量和高分辨率的優點。

圖4：非熱納米壓印與光刻技術制備的納米圖案
圖源： Angewandte Chemie International Edition, 2020, 59(10): 4035-4042.

▍形變與顏色協同編輯的液晶網絡體系

液晶網絡的形變模式和顏色變化可以被協同控制，實現多維度的信息存儲。該方式結合了形變和顏色圖案化存儲的優勢，有利于提高信息的存儲量。Li等人將末端功能化的四苯基乙烯衍生物和光致變色螺吡喃基團共價交聯液晶網絡中，利用液晶取向和光敏基團的可操縱和可編輯性成功模擬了褶皺頸蜥蜴折疊其褶邊并同時變色的生物行為（圖5）。此外，借助熒光基團在紫外/可見光照射下發生可逆的光異構化，可以實現熒光圖案可逆地光寫入和光擦除。鍵合進液晶網絡后，材料的形變模式也可以用光進行編輯，并通過溫度來控制。于是材料中寫入的數據可以通過光控和溫控的結合逐步讀取，并實現多維信息存儲。這些工作為開發可在復雜環境下進行偽裝、信息存儲和傳遞的智能化器件提供了靈感。

圖5：基于四苯基乙烯衍生物和光致變色螺吡喃分子開發的可協同變形和熒光變色的液晶驅動器
圖源： Angewandte Chemie International Edition, 2021, 60(20): 11247-11251.

▍總結

本論文總結了可編輯的變色和形狀記憶液晶網絡材料在信息存儲方面的研究進展。分別介紹了形狀記憶液晶網絡材料的多形變模式的作用機制以及信息存儲方式、具有可調結構色或熒光的液晶網絡在可擦寫智能軟器件的應用以及形狀顏色可協同調控的液晶網絡在偽裝、多級信息存儲與傳遞的應用。希望能夠為新型多維度存儲器件的開發提供一些啟發。目前研究者已經開發出了多種可以應用于偽裝、信息存儲的液晶網絡材料，然而這一領域仍然面臨很多挑戰。例如，顏色變化不夠豐富、聚合物網絡難以重復加工、多形變模式的分辨率較低等。因此，設計和引入更多的功能基團，如光敏染料、動態化學鍵等，開發可精確、高分辨操控、可重復編輯的液晶聚合物網絡體系會進一步拓展其應用前景。

| 論文信息 |

黃銀亮, 孫俊杰, 黃帥, 李全. 基于可編輯顏色和形狀記憶液晶網絡的信息存儲材料[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(1)：49-59.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0023

| 通訊作者介紹 |

黃帥，東南大學化學化工學院副研究員，東南大學至善青年學者。2019年博士畢業于北京大學材料科學與工程系。從事液晶超分子、液晶微納結構組裝和調控以及基于功能液晶聚合物的智能材料與器件研究。目前已在 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等國際權威期刊發表學術論文30余篇，主持國家自然科學基金與江蘇省自然科學基金項目，擔任 Angew. Chem. Int. Ed.、Light: Science & Applications等學術期刊審稿專家。
E-mail: huangshuai1991@seu.edu.cn

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