最近，復旦大學俞燕蕾教授課題組設計開發了一種新型光響應超分子材料--——分段調控膽甾相液晶。基于該材料制備的光子晶體具有超寬的顏色調控范圍，能夠在黑色背景上顯示各色圖案，甚至在同一個背景上顯示不同顏色的圖案。研究者別出心裁的將“國粹”麻將圖案融入到材料的功能展示過程中，充分體現了科研與生活的完美結合。
動物之間常通過顏色變化來傳遞信號。在感知到外界環境變化時，它們通過改變自身的顏色實現偽裝、恐嚇、警戒、求偶等行為。響應性光子晶體被認為是模仿變色行為的最佳材料，在外界刺激的誘導下，光子晶體通過改變自身周期結構來調控反射波長，即實現視覺上的顏色變化。然而，現有的體系變色范圍有限，使得顯示的圖案需要犧牲一種顏色作為背景。也就是說，無法顯示黑色，還不能真正做到“全彩”，這嚴重制約了該類材料的應用與發展。
最近，俞燕蕾教授課題組突破上述難關，設計開發了一種新型光響應超分子材料--——分段調控膽甾相液晶。基于該材料制備的光子晶體具有超寬的顏色調控范圍，能夠在黑色背景上顯示各色圖案，甚至在同一個背景上顯示不同顏色的圖案。研究者別出心裁的將“國粹”麻將圖案融入到材料的功能展示過程中，充分體現了科研與生活的完美結合。變色過程分為兩步：首先，利用可見光刺激將光子晶體調控到想要的顏色；隨后，將刺激光源換成紫外光，再結合各式各樣的掩膜版，就能得到“黑底彩圖”，操作起來非常簡單易行。之所以選擇光作為刺激源，俞燕蕾教授表示，光是一種清潔能源，并且在遠程、精確、定點控制上具有得天獨厚的優勢，我們一直致力于“讓液晶材料隨光起舞”。
圖1 新型膽甾相液晶的顏色調控及其圖案化過程展示
顯示“黑色”看似簡單，實則需要膽甾相液晶的核心成分——手性分子具有很寬的調控范圍，反射波長在保證覆蓋整個可見光譜的前提下，進一步延伸至近紅外光區域。由于近紅外光無法被人的眼睛識別，所以顯示出黑色背景。為實現這一目標，研究者精心設計了一種新型三穩態手性分子，巧妙的將兩種偶氮苯連接在聯萘手性中心上。偶氮苯和含氟偶氮苯在紫外光和藍光的刺激下均分別發生trans-cis和cis-trans異構化反應。但是，當使用綠光作為刺激源時，偶氮苯由cis回復到trans，含氟偶氮苯卻由trans異構化為cis。正是由于兩種偶氮苯在這三種光刺激下的異構化反應不盡相同，該手性分子可以產生3種穩定構型，為膽甾相液晶提供2個調控波段。3種構型空間結構存在巨大差異，導致螺旋扭曲力的變化非常大（D = 87%），這為拓寬調控范圍奠定了基礎。
圖2 三穩態手性分子的結構和不同波長光刺激下三種構型之間的可逆變化
僅需強度為幾十毫瓦每平方厘米的可見光刺激，該手性分子就可以在構型I和II之間轉變，引起膽甾相液晶材料的反射波長在可見光范圍內可逆變化，顏色豐富鮮艷，響應速度快。在紫外光的刺激下，手性分子轉變為構型III，反射波長從670 nm紅移至2100 nm，在近紅外區域擁有寬達1430 nm的調控范圍。該材料有望在防偽、彩色電子書、光擦寫顯示器等領域大展拳腳。
圖3 膽甾相液晶反射波長的分段調控，包括可見光和近紅外光區域
相關研究成果最近以Piecewise Phototuning of Self-Organized Helical Superstructures為題發表于Advanced Materials，文章的第一作者為復旦大學材料科學系博士研究生秦朗，通訊作者為俞燕蕾教授。
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