生活中随处可见色彩。例如，图1左侧的花朵颜色由色素决定，而图1右侧的孔雀羽毛颜色则是由羽毛中黑色素的有序排列带来的。类似于孔雀羽毛的材料被称为光子晶体。
图1 （左）橙色的花朵，（右）蓝绿色的孔雀羽毛（图片来源于网络）
液晶被广泛应用于手机、电视和电脑的显示屏（见图2），大家一定并不陌生。今天要介绍的是一种能够产生变化结构色的液晶材料，称为“丑小鸭”——疏水蓝相聚合物模板。
图2 各种显示器（图片来源于网络）
蓝相液晶（Blue phase liquid crystal，BPLC）是一种手性液晶。其双扭柱结构（图3）组成的三维阵列（图4A），使其在可见光范围内具有选择性反射，形成鲜艳的结构色彩，类似于孔雀羽毛，是一种光子晶体。
图3 双扭柱结构
图4 透射电镜及Kossel 衍射证明蓝相液晶结构擦写过程的可重构性
图5 蓝相液晶薄膜的制备及图案打印制备流程及相关结果
以绿色薄膜（图5B1）为例，首先利用液晶盒制备出鲜绿色的蓝相聚合物（≈聚合液晶+非聚合液晶）。然后，通过有机溶剂浸泡和干燥，去除非聚合液晶，得到蓝相聚合物模板，并进行疏水处理。在这个过程中，绿色消失了，薄膜变为无色（图5B2）。
图6 上：天鹅与丑小鸭（图片来源于网络），下：打印后变色的疏水蓝相模板
那么，薄膜变得无色，是不是说明薄膜坏了呢？实际上并没有。只是薄膜反射的是紫外光，人眼看不到（见图6B5中的紫色峰）。因此再次填充液晶后就能打印出彩色图案。
无色薄膜——“丑小鸭”，其实就是彩色薄膜——“天鹅”，它保留了聚合液晶的排列结构。因此在打印后，随着时间推移，可以逐渐显现出天鹅般的色彩。
图7 打印的可程序化变色多彩“活”图案
不同于通常需要彩色墨水的打印方式，我们可以通过控制单一墨水（5CB，无色液晶）在疏水蓝相模板薄膜的分散，实现无色墨水在无色薄膜上打印出彩色高精度“活”图案：打印图案的形状和颜色可以随时间变化。
如图6B中，绿色的莲花图案随时间变为蓝色。
看图7C、D中的苹果图案，我们使用“天鹅”状态为黄色的模板，在苹果叶子和果肉图案上打印不同体积的墨水，随着时间推移，叶与果的颜色逐渐区分开来。
而在图7E中的四叶图案中，也用了黄色的模板，结果显示每片叶子在打印不同体积的墨水后，随着时间增加，黄色的叶子分别逐渐变为深蓝色、浅蓝色、绿色和橙色。
这种多彩变色是由于墨水在模板中渗透引起的聚合物膨胀程度的区别造成的。
另外，与疏水蓝相模板相比，普通蓝相模板更难得到规则均匀的图案。例如，对比图7B1和7B2（普通模板）与图7C1和7D（疏水模板）的打印结果，疏水蓝相模板具有更高的打印精度。
图8 可逆擦写的高分辨图案的打印结果
最后，疏水蓝相模板还可以进行循环打印。图8C所示，擦写完斑马图案后，打印人像，第三次打印的蒙娜丽莎也保持了图案的精确性。
与之前的程序化变色工作相比，本研究基于普通商用材料，不需要特殊响应性分子和特定外场刺激，结合喷墨打印技术就能实现图案的设计及高分辨率，具有创新性。这一研究对于发展新型蓝相液晶类光学材料和器件具有重要推动作用。
相关研究成果以High-resolution Erasable “Live” Patterns Based on Controllable Ink Diffusion on the Three-dimensional Blue-phase Liquid Crystal Network为题发表在Advanced Functional Materials（DOI10.1002/adfm.202110985）。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202110985
来源：中国科学院理化技术研究所
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