多彩变色魔法：3D打印胆甾液晶弹性体玩转智能织物与隐形防伪！

AM易道导语：纳米科技界的变色新星，胆甾液晶弹性体

是否想过有朝一日我们的衣服能够随着环境温度而改变颜色？

或者一件商品的防伪标签能够在你按压它时从红色变为蓝色？

这些听起来像科幻电影里的场景，如今正在走进现实世界。

在材料科学与3D打印技术的交叉点上，宾夕法尼亚大学、哈佛大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员带来了一项突破性进展：

同轴直接墨水书写（DIW）3D打印胆甾液晶弹性体技术。

这项研究刚刚发表在2025年的《先进材料》（Advanced Materials）期刊上，他们研发的这种新型3D打印技术解决了一个困扰材料科学家多年的难题：

如何在不牺牲结构完整性的前提下，打印出具有复杂三维结构的胆甾液晶弹性体（CLCEs）。

胆甾液晶弹性体：指尖变色魔术的秘密

在深入了解这项技术之前，我们先简单认识一下胆甾液晶弹性体这种神奇材料。

AM易道试图解释下，它就像是一种智能橡皮筋，不仅能够像橡皮筋一样伸缩，还能在受到压力或拉力时改变颜色。

这种材料的秘密在于其内部的螺旋结构，当这些螺旋被拉伸或压缩时，它们反射的光波长度会发生变化，从而呈现出不同的颜色。

正是这种独特的性质，使得胆甾液晶弹性体在智能织物、防伪技术、健康监测和软体机器人等领域具有广阔的应用前景。

如果你的运动衣能够通过颜色变化告诉你身体的拉伸程度，或者一个软体机器人能够通过颜色变化表达它感受到的压力，这将是极其有趣且高端的消费品选择。

技术突破：打印中的"俄罗斯套娃"策略

研究团队面临的最大挑战是：

胆甾液晶弹性体的排列需要低粘度环境，而3D打印多层结构则需要高粘度以维持形状稳定性。

这两种需求似乎是相互矛盾的。

他们的解决方案有意思的点在于像一个个微型俄罗斯套娃：

使用同轴打印头，将低粘度的胆甾液晶墨水作为内核，外层包裹着高粘度的透明硅胶墨水作为保护壳。

就像图1所展示的那样，这种结构让内层的液晶能够自由排列形成理想的胆甾相，而外层的硅胶则提供了结构支撑，使得整体能够稳定堆叠，形成复杂的3D结构。

更令人惊叹的是，研究团队精心设计的墨水配方无需加热或使用有机溶剂，也不需要额外的退火步骤来形成胆甾相。

这在相关技术发展中可谓一大飞跃。

如图2所示，团队通过光学流变学研究确定了最佳的剪切速率范围（10-100 s⁻¹），在这个范围内，胆甾相能够快速形成并达到最佳的排列状态。

从平面到立体：3D打印胆甾液晶弹性体的艺术

在掌握了墨水配方和打印参数后，研究团队进一步优化了打印路径和层高，以实现更复杂的3D结构。

如图3所示，通过调整CLCE和硅胶的剪切速率，他们能够精确控制打印线宽和核-壳结构的几何形状，从而影响最终产品的光学特性和机械性能。

这项技术的关键优势在于，胆甾液晶核心的机械变色灵敏度得到了显著提升。

如图4所示，与纯CLCE相比，CLCE-硅胶复合结构的机械变色灵敏度高出数倍（从0.13 nm/kPa提升到2.39 nm/kPa）。

这意味着即使是轻微的压力变化也能引起明显的颜色改变，大大提高了作为传感器的实用性。

智能记忆圆顶：力致变色传感器的新形态

研究团队并不满足于简单的线条和平面结构，他们进一步探索了更复杂的3D形态。

其中最引人注目的是他们制作的双稳态薄壳圆顶结构。

与普通的弹性结构不同，这种双稳态结构具有两个稳定状态，可以在两种状态之间切换并保持状态不变，直到外力再次触发它。

图5展示了他们通过不同方式打印的圆顶结构。

特别值得注意的是，通过在模具上共形打印，他们制作出了厚度均匀的双稳态圆顶，这些圆顶在倒置状态下，顶部会经历压缩（颜色红移），而底部则经历拉伸（颜色蓝移）。

研究团队的创意在图6中得到了充分展示：

他们将不同高度的圆顶排列成阵列，创造出一个具有"物理记忆"功能的应变传感器。

当这些圆顶被倒置后，它们会保持这种状态。

随着基底被逐渐拉伸，圆顶会依次弹回原始状态，从而记录下最大应变值。这种无需电子元件的"物理记忆"传感器，为应变历史监测提供了全新思路。

市场前景：从实验室到实际应用

AM易道认为，这项技术虽然目前仍处于实验室阶段，但其市场前景不容小觑。

随着3D打印技术的普及和成本降低，这种同轴打印技术有望在多个领域找到商业机会：

首先是防伪领域。

与传统防伪技术相比，3D打印的CLCE结构可以实现更复杂的颜色变化模式，而且其物理变色特性难以复制。

奢侈品或药品包装上的防伪标签不仅能在不同角度呈现不同颜色，按压时还会产生特定的颜色变化。

沿这个思路，就连3D打印行业一直以来的模型IP保护问题也能得到解决。

其次是智能织物和可穿戴设备市场。

研究者提到，CLCE可以用于制作智能服装和健康监测设备。

这种织物不需要电子元件和电池，就能够通过颜色变化反映身体部位的拉伸或压力状态，为运动训练和康复治疗提供直观反馈。

第三是软体机器人市场。

CLCE的力致变色特性为软体机器人提供了类似"皮肤"的视觉反馈系统。

机器人受到的压力和拉伸可以直接通过颜色变化展现出来，使人机交互更加直观。

AM易道最后聊两句

AM易道认为，未来研究可能会朝着几个方向发展：

一是开发更具弹性和韧性的CLCE材料；二是优化打印工艺，提高打印速度和精度；三是探索更多复杂的3D结构，开发出更多具有特殊功能的智能结构。

或许有一天，当你走进商店，你的衣服会因为室温变化而改变颜色；

你买的高档手表，其表带会通过颜色变化告诉你它经历了多大的拉伸；

甚至你家的软体机器人助手，会通过皮肤颜色的变化表达它的感受。

这是正在走向我们的， 由3D打印打造的，未来科技生活。

文章出处

本文介绍的研究成果原文发表于《先进材料》（Advanced Materials）2025年第37卷第10期，论文标题为"Coaxial Direct Ink Writing of Cholesteric Liquid Crystal Elastomers in 3D Architectures"。

该研究得到了美国国家科学基金会、哈佛MRSEC和陆军研究办公室MURI项目的资助，部分工作在劳伦斯利弗莫尔国家实验室完成。

论文DOI号为10.1002/adma.202416621，感兴趣的读者可通过此编号查阅原文获取更多技术细节。

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