天津大学封伟教授、王玲教授团队AM：智能纤维结构色水转印技术

颜色，是人类感知世界、传递信息最直接、最有效的方式之一。赋予智能可穿戴织物颜色，不仅能提升产品的美学价值，还可以通过颜色直接传感或通信，在可穿戴电子、人机交互、自适应伪装等领域具有重要应用前景。传统纺织纤维主要依赖化学染料或颜料着色，存在饱和度低、易褪色、可能造成环境污染等问题。为解决这些难题，科学家将目光投向了仿生结构色——这种色彩并非来自化学色素，而是源于微纳结构对光线干涉、衍射或散射的一种物理色。自然界中蝴蝶翅膀、孔雀羽毛的绚丽色彩便是结构色的典型代表，结构色具有色域广、分辨率高、永不褪色等独特优势。为了在纤维表面构筑结构色，传统的方法是在纤维表面通过自组装纳米颗粒或沉积光子晶体薄膜来获得结构色，但由于纳米颗粒自组装过程中在纤维曲面容易受到毛细力与马兰戈尼流动影响，导致出现“咖啡环”、干缩开裂与层间空洞等缺陷，造成结构色的色彩不均，而且颗粒与基底界面结合弱、无法实现动态重构，也制约了结构色对外界刺激的灵敏响应特性。相比于由纳米颗粒组装形成的结构色，手性液晶智能材料能自发组织形成长程有序的螺旋纳米结构，从而反射出具有高饱和度、高亮度的结构色；这种液晶螺旋超结构的“螺距”可以被外力（如拉伸、加热、电场）动态调控，从而实现颜色的动态变化。尽管手性液晶在平面基材上已能实现高质量的结构色，但要在微纳尺度纤维曲面上形成有序的径向螺旋结构，却是一个严峻挑战。传统的熔融纺丝、湿法纺丝或模板法，要么无法形成理想的径向排列（导致颜色随视角变化不均），要么工艺复杂、产量低、难以连续制备长纤维。

针对这一关键科学问题与技术挑战，天津大学封伟教授、王玲教授团队另辟蹊径，基于传统彩印工艺广泛应用的水转印技术（Water Transfer Printing，WTP），提出了一种能够在超细纤维复杂表面高通量构筑手性液晶纳米超结构和高品质结构色的普适性策略。作者通过揭示气–液界面胆甾相液晶（CLC）分子的可控铺展、自组装动力学，实现CLC结构色在多类超细纤维复杂曲面上的精准转移与有序均一径向螺旋取向；进一步结合同轴挤出纺丝技术，成功实现了具有多层核–壳结构的结构色电子纤维（StructroE-fibers）连续化制备；所制备的纤维包含CLC结构色外壳、液晶弹性体（LCE）驱动层和液态金属（EGaIn）感知内核，在外界刺激作用下能够输出光学结构色与电学信号。作者系统研究了结构色电子纤维的智能变色和传感性能，通过纤维纺织技术构建了结构色电子纤维织物（StructroE-Textiles），深入探索了其在可穿戴电子织物和人机交互等领域的潜在应用。相关成果以题为“Universal Water Transfer Printing Enables Scalable Structural Coloration of Responsive Textile Fibers for Wearable Electronics”在国际权威期刊《Advanced Materials》上发表。天津大学材料学院博士生陈原浩、刘源和Cristian Valenzuela为论文共同第一作者，天津大学王玲教授为论文通讯作者，本研究获得了国家重点研发计划“高端功能与智能材料”专项、国家自然科学基金区域联合基金重点项目和天津市杰出青年基金等资助。

图1 具有多层核–壳结构的结构色电子纤维（StructroE-fibers）连续制备技术

内容简介

作者系统阐释了手性液晶分子在气-水界面上的铺展与自组装流体动力学。通过调控水溶液的表面张力（如添加特定浓度的表面活性剂等），实现了手性液晶薄膜铺展速度、厚度和均匀性的精准控制；在表面张力和溶剂定向挥发的协同作用下，手性液晶分子在水平面上能够完成高质量的手性螺旋结构自组装，形成一层漂浮在水面上的鲜艳结构色功能薄膜。值得一提的是，任何经过亲水处理的纤维，无论是天然的头发、商业化的尼龙纤维，还是团队自制的特种纤维，只需从水底缓缓向上提起，就能“捕获”这层薄膜，使其完美地包裹在纤维表面，形成均匀、饱和且具有径向螺旋排列的结构色涂层（如图2所示）。通过将水转印策略与同轴挤出纺丝技术耦合，作者实现了具有多层核–壳结构的结构色电子纤维的连续化制备，具有非常好的普适性和规模化制备潜力。所制备的纤维包含CLC结构色外壳、液晶弹性体（LCE）驱动层和液态金属（EGaIn）感知内核；纤维截面SEM表征发现，CLC分子在纤维表面沿着径向形成高度均一的径向螺旋取向结构，所形成的结构色没有角度依赖性，且纤维颜色可以通过调节手性剂与单体的配比任意调节，且色彩具有良好的均一性（如图3所示）。

图2 胆甾相液晶分子在空气-水界面的水转印策略中的扩散和自组装流体动力学。

图3 StructroE-fibers的连续化制备、微纳结构表征和结构色性能调控。

作者深入研究了StructroE-fibers在拉伸、加热与电热驱动下的多模态结构色变色性能（如图4所示）。拉伸纤维时，其颜色会从红色蓝移至蓝色，灵敏度高达1.82 nm/%；加热时，由于中间驱动层收缩，外层液晶螺距增大，颜色发生红移，灵敏度为2.95 nm/°C，远超传统液晶薄膜的热致变色性能；通电后，液态金属核心发热，引发与热致变色相同的效应，仅需2.4伏电压，就可在15秒内实现从绿色到红色的显著变色，且响应完全可逆（如视频1所示）。重要的是，作者还将这些纤维编织成智能纺织品—StructroE-textiles，该织物不仅能随拉伸或加热改变颜色，其内部的液态金属核心还能同步输出电阻变化信号；也就是说织物不仅能“显示”受力或温度状态，还能智能“感知”并“传输”这些物理信息（图5和视频2所示）。

图4 StructroE-fibers在拉伸、加热与电热驱动下的智能变色性能

视频1 StructroE-fibers在电热驱动下的结构色变色性能

图5 StructroE-textiles的驱动性能和传感功能。

视频2 StructroE-textiles在拉伸下表面结构色的变化以及传感信号的变化

作者进一步将StructroE-textiles集成于可人机交互的智能传感手套，当使弯曲手指时，织物因受力而颜色发生改变，可以实时、可视化地展示了手部不同位置的应力分布。同时，电阻信号也同步变化，这些信号被采集、处理并通过无线模块传输给一个机器人手。无论是简单的单指弯曲，还是复杂的“握拳”、“胜利”、“OK”等手势，机器手都能同步复现使用者的动作，实现了“视觉-电子”双反馈人机交互应用（图6和视频3所示）。该研究为开发响应性结构色纤维和织物提供了普适性策略，在可穿戴电子、人机交互和自适应伪装等领域具有重要应用前景。

图6 StructroE-textiles集成人机交互系统与性能。

视频3 StructroE-textiles集成人机交互展示

作者简介

王玲，天津大学讲席教授，博士生导师，国家重点研发计划项目负责人，天津市杰出青年基金获得者和国家海外高层次优秀青年人才。主要致力于功能液晶智能材料的设计与制备及其在变色隐身、人工肌肉、变革性光学、能源和安全等领域的应用研究。

封伟，天津大学讲席教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才和天津市“杰出人才”，天津市首批“131”创新团队负责人，英国皇家化学会会士（FRSC），日本学术振兴委员会JSPS高访学者，享受国务院政府特殊津贴专家。主要研究方向为功能有机碳复合材料在致密储能和智能热控等领域的应用及产业化技术研究。

文章信息：

Yuanhao Chen, Yuan Liu, Cristian Valenzuela, Yufan Feng, Yanzhao Yang, Ran Bi, Wei Feng and Ling Wang*, Universal Water Transfer Printing Enables Scalable Structural Coloration of Responsive Textile Fibers for Wearable Electronics. Advanced Materials, 2025, e16769.

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202516769