江雷院士、王京霞研究员团队：蓝相液晶的图案化最新综述文章

自然界中广泛存在的结构色因其不易褪色、环境友好和高饱和度等特性吸引了科研工作者的关注。手性结构色在自然界生物中广泛存在，如具有金属光泽的甲虫外壳，杜若属果实的鲜艳果皮，具有靓丽色彩的螳螂虾等，他们在偏振光状态的独特光学信息大大提高了其生存能力。自然界的这种独特的手性结构色为众多领域的科学研究提供灵感。而蓝相液晶（BPLC）作为一种具有三维手性立方结构的材料，因其特别的选择性反射圆偏振光、强烈的双折射效应以及窄光子带隙和快速响应性能，逐渐成为研究热点。蓝相液晶不仅能够实现高效的光学调控，还在响应性手性结构色功能材料的开发中展现出巨大潜力，为光子学和安全领域的新型光学器件制备及应用提供了全新思路。

中国科学院理化技术研究所江雷院士、王京霞研究员团队在蓝相液晶（BPLC）领域取得了一系列重要突破。团队率先利用商用液晶材料成功制备出具有宽温域、高品质的蓝相液晶聚合物（J. Mater. Chem. C, 2019, 7: 9460）。在此基础上，通过透射电镜、同步辐射、2D光学表征等多种先进手段，揭示了蓝相液晶的马氏体转变机制（Nat. Commun.2021, 12, 3477），并深入研究了聚合物蓝相液晶的光学热稳定性（Adv. Funct. Mater. 2024, 2412439）。进一步，团队开发了基于聚合物蓝相液晶的高品质激光谐振腔，通过调控带隙变化实现了单模、双模、三模及四模激射的可控调制（Adv. Mater., 2022, 34, 2108330）。通过优化聚合物蓝相液晶的组成及聚合度，团队成功将蓝相激射的温域扩展至超过400°C（-180~230°C）（Adv. Mater., 2022, 34, 2206580; Adv. Mater., 2024, 2308439）。团队通过迈克尔加成反应制备了柔性蓝相液晶弹性体，并原位表征了其拉伸变形过程对晶格结构及光学性能的影响，研究了其宽温域的光学性能，及宽温域的拉伸激光性能（Adv. Mater. 2025，2416448）。此外，团队还将蓝相液晶模板应用于光子纸领域，通过将聚合物模板蓝相（PTBPs）与喷墨打印技术相结合，利用小分子液晶5CB作为墨水，实现了高精度“活”图案的制备（Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985），并进一步实现了3D手性色彩单元的可编程时空调控与加密（Adv. Mater. 2025, 37 (4), 2411988）。并研究了不同液晶墨水决定的颜色变化随温度和时间变化的行为（Adv. Funct. Mater. 2025, 2424107）。

近日，该团队全面综述了蓝相液晶的图案化制备策略、响应性蓝相液晶的图案研究进展及相关应用。在文章中，作者首先介绍了蓝相液晶的概念与基本性能。蓝相液晶是一种介于各向同性相和胆甾相之间的特殊相态，其分子在强手性作用下沿长轴和短轴方向扭曲排列，形成双扭曲圆柱结构，这与单螺旋的胆甾相显著不同。根据结构，蓝相液晶分为无定形的蓝相III、具有简单立方结构的蓝相II和具有体心立方结构的蓝相I。凭借独特的三维手性结构，蓝相液晶展现出优异的光电性能，如微秒级响应速度的电光调制能力、高反射率和窄光学带隙等特性。然而，其温度稳定范围较窄（通常不足2 K）。为提升应用性能，常采用聚合物稳定、分子设计优化和无机材料掺杂等手段来拓宽其温域。

随后，文章总结了蓝相液晶的图案化制备方法并梳理了其响应性图案化进展。蓝相液晶的图案化在信息加密、安全防伪和可视化传感等领域具有重要应用。常用制备技术包括化学基底图案技术、掩膜版法、喷墨打印、直接书写和激光裁剪等。化学基底图案技术通过诱导蓝相单晶生长，有助于提升蓝相液晶的品质及光电性能；掩膜版法因操作简单而广泛应用；喷墨打印、直接书写和激光裁剪则以低成本、高效率适用于复杂图案的制备。

蓝相液晶的分子取向可受外场调控，因此其结构色通常具有多重响应特性。在电场作用下，蓝相液晶可通过克尔效应、电场诱导晶面取向、电致伸缩和电场诱导相变等机制导致结构色变化。引入光响应分子后，在光刺激下可实现等温相变和光子带隙位移，从而改变颜色。温度响应通过相态变化或晶格间距变化实现颜色调谐，而机械力响应通过压缩、拉伸或剪切引发晶格常数或结构的周期性变化，改变光的反射与透射特性。此外，溶剂或蒸气渗入液晶内部也会引起分子排列和晶格结构变化，进而影响结构色。

文章最后分析了蓝相液晶的图案化研究目前存在的问题及未来发展方向。蓝相液晶（BPLC）在显示、信息加密/防伪和传感器领域具有广泛的潜在应用。在信息传递方面，BPLC被视为下一代液晶显示技术，同时在信息加密和防伪领域展现出独特优势。在激光应用中，BPLC凭借其独特的晶格结构、窄带隙、高品质及聚合后宽温域特性，在多模态和宽温域激光发射中展现出竞争力。此外，利用蓝相液晶图案的多响应特性，可实现对不同刺激条件的可视化传感，进一步推动其在传感器领域的应用。

该研究得到了国家自然科学基金项目（项目编号：52373001、51873221、52073292、51673207、51373183和21988102）及中荷国际合作项目（1A111KYSB20190072）等的资助支持。

蓝相液晶的图案化制备策略及响应性

来源：理化所

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