华东理工郑志刚教授/东南大学李全院士AM：电热协同调控胆甾相螺旋光子结构，实现革命性温敏变色

自然界中变色龙等生物通过动态结构重组实现自适应伪装，启发了人工刺激响应材料的发展。温度作为普适性调控信号，在智能光子系统中具有关键地位。然而，传统温致变色结构材料受限于固有物理化学性质（如相变温度固定、折射率变化非线性），存在灵敏度固定、非线性响应和可调范围窄三大瓶颈，严重阻碍了其在动态场景中的应用。胆甾相液晶（CLCs）虽具备螺旋超结构和对圆偏振光的选择性反射优势，但其热响应仍局限于窄温窗内的非线性调制，无法满足高精度光子工程需求。

华东理工大学郑志刚教授与东南大学李全院士团队合作，开发出基于液晶二聚体的胆甾相螺旋（CH）结构，首次实现电热协同响应的线性可编程温敏变色。该系统在可见光全谱域展现出5 nm/0.05°C的近线性温度灵敏度，并通过电场将灵敏度动态调控于100–50 nm °C⁻¹区间。其创新机制源于液晶二聚体材料中温度依赖的弯曲弹性效应与电场诱导介电扭矩的协同作用，成功突破传统软物质系统的固定响应限制。结合数字光刻技术，团队进一步构建了空间可编程的螺旋微区，为多路温度可视化和动态信息加密开辟新途径。

核心机制与性能验证

图1揭示材料设计关键：液晶二聚体CBrCB（含奇数烷基链）提供超低弯曲弹性常数（K33），与向列相液晶5CB、手性剂R811组成稳定复合体系。电场诱导下，分子以锥角θ绕螺旋轴排列（图1b），形成螺旋节距P可调的CH结构。在24°C下，电场从0.79增至1.02 V/μm时，反射光从红→橙→绿→青→蓝连续渐变（图1c），光谱覆盖450–650 nm可见区（图1d），其色度占据92% sRGB标准空间（图1e）。

图1 a) 液晶二聚体系列CBrCB、向列相液晶5CB及手性剂R811的分子结构 b) 电场诱导胆甾相螺旋（CH）结构示意图：分子以锥角θ绕螺旋轴旋转，节距为P。其中 ENC和 EUN分别表示螺旋构象诱导阈值电场与解旋阈值电场 c) 样品T-5在24°C下的偏振光学显微镜（POM）纹理：电场从0.79增至1.02 V/μm时的结构色变化。标尺：300 μm d) 24°C时样品T-5随电场增强的反射光谱（已扣除基底贡献）。光谱上方数字为施加电场强度（V/μm） e) CIE色度图：CH结构色域（蓝点）与标准sRGB空间（三角框）对比。蓝虚线表示混色可达的总覆盖区域

图2展示革命性温敏性能：在0.85 V/μm电场下，温度仅需升高2.0°C（22.5→24.5°C），反射波长即从468 nm（蓝）线性红移至662 nm（红）（图2a）。灵敏度高达102 nm/°C，线性拟合系数R²=0.99（图2b），且每0.05°C偏移5 nm（插页）。通过电场调控（0.85→1.42 V/μm），灵敏度可从102 nm/°C降至50 nm/°C。楔形器件实验（图2c）进一步证实空间色序分布随温度协同演变（图2d）。通过调节5CB含量，工作温区可定制于12.0–50.1°C（图2e-f），如T-6样品在12.0–13.9°C区间灵敏度达113 nm/°C。

图2 a) 样品T-5在固定电场0.85 V/μm下的温度依赖反射光谱 b) 不同电场下样品T-5中心反射波长与温度的线性关系。蓝圈/线：升温过程；绿方/线：降温过程。棕色数字为线性拟合斜率（温度灵敏度S），蓝色数字为决定系数（R²）。插页：0.05°C温升间隔的反射波长红移 c) 楔形液晶盒内CH结构组装示意图：厚度梯度产生电场梯度，导致结构色彩虹状分布 d) 楔形盒内结构色随温度变化的空间分布 e) CBrCBs与5CB构成的CH材料体系相图 f) 各样品在变色温区内中心反射波长随温度演化。黄色数字标注最高/最低温度灵敏度S

图3阐明电热协同机制：在N-NTB相变温区，弯曲弹性常数K33随温度呈二次方增长（从0.29→0.56 pN，增幅93%），而介电各向异性（Δε）和手性扭曲力（HTP）变化不足1%（图3a-c）。理论模型（公式6）证明反射波长λc ∝ √K₃₃/E，K33的温度依赖性直接决定了线性响应（图3f）。数值模拟重现了电场对锥角（图3e）和节距（图3f）的调控规律，弱电场实现高灵敏度窄温窗调制，强电场则降低灵敏度并拓宽温区（图3g）。

图3 a) CH材料体系中R811手性扭曲力（HTP）的温度依赖性 b) 介电常数温度变化：平行分量 ε∥、垂直分量 ε⊥ 、各向异性 Δε c) 展曲弹性常数 K11与弯曲弹性常数K33的温度依赖性。近N-NTB相变区（2.5°C < T-TNNTB< 7.5°C）的 K33符合二次方程 K33(T) = (aT+c)2（a=0.045, c=0.386） d) CH结构阈值电场的数值模拟：ENC（诱导阈值）、 EUN （解旋阈值） e) 固定电场下螺旋锥角随温度演化的数值模拟 f) 固定电场下螺旋节距标准化值（P/P₀）的温度依赖性数值模拟 g) CH结构电热响应机制：i) 弱电场实现高灵敏度窄温窗RGB调制；ii) 强电场降低灵敏度需更宽温区

创新应用场景

图4演示自适应温度传感：通过光刻制备图案化ITO电极（图4a），集成三种CH材料（T-4至T-6）构成"雪花-云朵-太阳"像素单元（图4b）。12.0–14.0°C时，"雪花"像素呈现蓝→绿→红渐变；22.4–24.0°C激活"云朵"；31.5–33.6°C激活"太阳"（图4c）。电场可动态重配置各像素响应温区（图4d），像素阵列设计（图4e）支持宽范围高分辨温度监测。

图4 a) 图案化电极ITO湿法刻蚀流程示意图 b) 器件设计：上基板预置三种天气图案像素（像素1"雪花"、像素2"云朵"、像素3"太阳"），下基板为平面ITO公共电极 c) 电场0.83/0.85/1.00 V/μm下各像素在不同温区的显色。标尺：2 mm d) 电场0.95/1.00/1.20 V/μm下的像素显色温区调控。标尺：2 mm e) 扩展像素阵列设计：实现宽范围连续高分辨温度监测

图5实现多维信息加密：基于T-5样品构建"阴阳鱼"双像素单元（图5a），通过电场（E1/E2）与温度协同控制，每个像素产生4态光学输出（共16种组合）。建立十六进制映射主密钥（MK）（图5b），将字符"Lock!"转为ASCII码→Hex码→光学图案序列（图5c）。动态密钥（DK）由温度参数（如25.0°C）和时序电场（如E1=0.75 V/μm, E2=1.18 V/μm）生成（图5d），温度偏差将导致信息完全错乱（图5e），杜绝部分解密风险。

图5 a) 信息加密器件结构：双"阴阳鱼"像素单元（A1/A2）可独立受控于电场E1/E2与温度 b) 十六进制（Hex）编码主密钥（MK）：光学图案序列与Hex/ASCII码映射关系 c) 明文"Lock!"的解密规则（基于MK） d) 动态密钥（DK）生成：起始符(000)-温度参数(250→25.0°C)-时序电场信号(07→E1=0.75 V/μm, 11→E2=1.18 V/μm)-终止符(000)。"Lock!"加密实验实现。标尺：2 mm e) 温度参数错误导致解密乱码（即使电场序列与颜色映射正确）

行业展望

该研究首创性地在单一软物质系统中同步实现三大突破：可见光全谱调色、线性可编程温敏（100–50 nm °C⁻¹）、宽温区定制（12–50°C）。电热协同调控范式克服了单刺激系统的局限性，为高精度传感、自适应光学及下一代光子器件奠定基础。空间可编程螺旋微区与图案化电极的结合，将推动多维光信息传输和安全加密技术的跨越式发展。

来源：高分子科学前沿

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