江雷院士团队AM：新型蓝相液晶弹性体，为低温环境带来“视觉触觉”

在极地科考、低温制造等极端环境中，实时监测机械应力分布对于保障设备安全与工艺精度至关重要。传统的电信号传感器在强磁场、高电流、水下或低温等复杂环境下性能不稳定，维护成本高昂，且无法直观呈现应力的空间分布。受自然界变色龙和头足类动物动态变色能力的启发，基于结构色的力学监测为集成化、轻量化智能传感系统提供了新思路，但现有材料（如光子晶体凝胶、液晶弹性体）在低温下往往变脆或失去响应灵敏度，长期制约着低温视觉传感技术的发展。蓝相液晶（BPLCs）凭借其三维周期性结构、手性螺旋特征、高品质结构色（窄带隙）、快速响应以及圆偏振光特性等优势，在光电领域备受关注。蓝相液晶已在−190°C至340°C的宽温域内展现出温度稳定性，但制备兼具低温柔韧性和高品质光学性能的蓝相液晶弹性体（BPLCE）薄膜，并理解聚合物稳定BPLCE在零度以下的力-光耦合行为，仍是亟待攻克的关键难题。

针对上述挑战，中国科学院理化技术研究所江雷院士团队王京霞研究员、李来风研究员团队成功开发出一种高品质蓝相液晶弹性体薄膜。该材料通过创新的“全链延伸-冷却辅助组装”策略制备，在−30°C至60°C的宽温域内展现出优异的柔韧性和可视机械传感能力。研究发现，该薄膜在压缩过程中呈现高灵敏度（20°C–60°C）和低灵敏度（−30°C–20°C）两种显著的力致变色响应模式，并伴随压缩过程中手性光学信号的明显转变。这一成果为低温工程中的实时、全场面应力可视化监测提供了全新方案，相关论文以“Low-Temperature Visual Mechanical Sensing via Uniaxial Compression of Blue Phase Liquid Crystal Elastomer”为题，发表在Advanced Materials上。

材料设计与结构表征

研究团队首先从材料化学设计入手，在传统的向列相液晶E7、可聚合单体RM257和手性掺杂剂R5011基础上，引入了单丙烯酸酯单体RM105以增强聚合物网络的柔韧性，并加入非介晶单体EDDET建立迈克尔加成体系以延长聚合物链长，从而提升材料的拉伸性能和降低玻璃化转变温度（图1a、b）。然而，这些单体的引入可能阻碍高品质单畴蓝相薄膜的形成。为此，团队开发了“全链延伸-冷却辅助组装”策略：先将液晶前驱体混合物在室温避光下进行12小时的迈克尔加成预反应，再以极其缓慢的冷却速率（约每5–10分钟降温0.01°C）精确控制从各向同性相到BPII再到BPI的相变过程，成功制备出无缺陷的大面积单畴BPI薄膜（图1c）。

制备出的高品质薄膜在反射波长600 nm处展现出狭窄的反射带隙，半高宽仅为13纳米，柯塞尔衍射图案呈现四个对称弧，对应BPI晶格的(101)、(101)、(011)和(011)晶面（图1d）；插图中450 nm滤光片下的柯塞尔图经绿色处理以增强视觉对比度。超小角X射线散射进一步证实了其三维立方晶体结构，二维图案中清晰的{112}BPI和{220}BPI衍射斑点与尖锐的散射峰相匹配，计算所得q值为600.32 nm，与BPI结构吻合（图1e）。宏观照片显示薄膜具有均匀鲜艳的红色和优异的结构韧性，甚至可制成自由站立的莫比乌斯环（图1f）。该材料在−30°C下仍可实现100%的拉伸应变（支持信息图S7），玻璃化转变温度低至−40°C，在半高宽、室温拉伸率、−20°C拉伸率、力致变色操作低温极限（<0°C）、圆偏振分析（−20°C~60°C）以及热-力-光耦合关系（−50°C~60°C）等性能指标上均显著优于以往报道的体系（图1g），为低温视觉传感奠定了坚实的材料基础。

图1 | BPLCE薄膜的系统设计与结构表征。（a）液晶前驱体混合物的化学组分。（b）RM105增强聚合物网络弹性和拉伸变形能力的示意图。（c）高品质BPLCE可编程组装过程的偏光显微镜图像，插入了各阶段的精确控温速率：各向同性相至蓝相II（Iso-BPII）、BPII成核/生长、蓝相II至蓝相I（BPII-BPI）相转变，以及BPI退火。BPII-BPI转变是大面积单畴BPLCE的关键步骤，需要极慢的冷却速率（约每5–10分钟降温0.01°C）。（d）紫外聚合后样品的反射光谱（λ=600 nm）。插图为450 nm滤光片下的柯塞尔衍射图（为增强视觉对比度，颜色经绿色处理）。（e）（i）样品的二维USAXS图案。虚线圆上的衍射斑点对应于{112}BPI和{220}BPI晶面。（ii）一维USAXS强度曲线，对应{112}和{220}信号。（f）照片：（i）液晶盒中制备的BPLCE；（ii）作为自由站立莫比乌斯环的BPLCE。（g）本工作BPLCE薄膜与文献报道体系的性能指标对比（如半高宽、室温拉伸率、-20°C拉伸率、力致变色操作低温极限（T<0°C）、圆偏振分析（-20°C~60°C）、热-力-光耦合关系（-50°C~60°C）等），突显了本工作BPLCE优越的低温力-光性能。

不同温度下的力致变色行为

研究团队利用自行搭建的原位光学-力学-温度耦合测试平台，系统研究了薄膜在不同温度和压缩载荷下的光学响应。该平台集成了垂直加压装置、力传感器、偏光显微镜、高灵敏度光谱仪和温控冷热台，可实时采集压缩过程中薄膜的显微图像和反射光谱（图2a-i）。压缩过程中，BP晶格在垂直压缩下发生从红色（未受力）到绿色（受力）的晶格转变（图2a-ii）。实验发现，在60°C、20°C和−40°C下，随着压力增加，薄膜上接触直径为500 μm的圆柱形凸起所压区域颜色由红色连续向绿色、蓝色转变，直观展现了其作为可视力学传感材料的潜力（图2b）。同时，温度对结构色影响显著——随着温度降低，薄膜初始反射峰因晶格轻微收缩而发生蓝移：从60°C的600 nm（红色），到10°C的590 nm（橙红色），再到−40°C的580 nm（橙色）。值得注意的是，在低温下诱导相同的反射峰位移需要更大的力：例如，将薄膜压至蓝色在60°C下约需3.0 N，20°C下约需4.5 N，−20°C下约需6 N，而−40°C下则需16 N（支持信息图S8）。拉伸应力-应变曲线也证实，随温度降低，拉伸弹性模量急剧增大，从20°C的0.476 MPa增至−20°C的3.12 MPa、−30°C的9.51 MPa，直至−40°C的78.4 MPa（图2c）。

晶格结构演化的原位验证

为进一步阐明压缩过程中的晶格变化，团队在室温下进行了原位柯塞尔衍射实验。随着反射峰从600 nm蓝移至400 nm（图2d-i中样品反射峰从600 nm蓝移至440 nm，正文实验描述为400 nm），柯塞尔图案中代表(101)、(101)、(011)和(011)晶面的四个弧以及代表(110)晶面的环呈对称收缩，证明压缩力严格垂直于(110)面（图2d-i）。通过模拟软件对三维晶格变形进行精细化建模，结果显示晶格参数a从0.545L减小至0.536L并最终稳定于0.445L，环半径b从0.936L缩小至0.409L，与实验数据高度吻合，证实了沿(110)面法线方向的单轴压缩变形，且未观察到面内晶格膨胀（图2d-ii）。

图2 | 所制备BPLCE薄膜在不同温度下的光-力学性能。（a）原位光-力学-温度实验测试装置示意图（i）及压缩下BPLCE晶格对应的结构演化（ii）。BPLCE薄膜夹于上方玻璃片和3D打印模具圆柱形凸起之间，偏光显微镜从上方实时捕捉垂直压缩过程中的图像/光谱。图中描绘了倒置的垂直压缩薄膜，最右侧为对应的晶格变化，红色/绿色晶格分别表示未受力/受力状态。（b）在60°C、20°C、-40°C下，样品在0至4 N递增压力下的偏光显微镜图像（反射模式）。圆形压痕区域（直径500 μm）的结构色随应力增加由红色向蓝色转变。（c）样品在20°C、-20°C、-30°C和-40°C下的拉伸应力-应变曲线，显示随温度降低弹性模量增大。（d）室温压缩过程中反射峰从600 nm蓝移至440 nm时样品的实验（i）和计算（ii）柯塞尔衍射图，四个弧代表(101)、(011)、(101)、(011)晶面，环代表(110)晶面。计算结果来自单轴压缩模拟软件（a为两弧中心到视场的距离，r和b分别为视场半径和环半径）。

耦合热-力-光响应机制

基于系统的压缩实验，研究团队描绘了从−50°C到80°C范围内的耦合热-力-光响应图谱（图3）。根据聚合物网络的玻璃化转变温度（约−39.4°C），材料呈现三个特征响应区间：在玻璃态区（< −40°C），聚合物网络变形能力极弱，压缩几乎不引起带隙移动（图3b₁），材料呈现脆性断裂；在高弹态区（−30°C至60°C），薄膜呈现从红到蓝的显著颜色变化（图3b₂、b₃），是视觉传感的关键区间，并可进一步细分为低灵敏度亚区（−30°C至20°C）和高灵敏度亚区（20°C至60°C），两个亚区在20°C处边界重叠；在粘弹态区（>70°C），液晶转变为各向同性态，结构色消失（图3b₄），但材料仍可在冷却后完全恢复蓝色相结构色（图3a）。

高灵敏度区间（20°C–60°C）内，由红到蓝紫的完整带隙位移仅需约1.3–1.8 N的力（其中30°C下1.78 N，40°C下1.45 N，50°C下1.26 N，60°C下1.38 N），压缩时反射峰窄（半高宽<80 nm）（图3c），且卸载后呈现单调回复（40°C–60°C为模式i单调回复；20°C–30°C为模式ii，亦为单调回复但机制略有不同），40°C–60°C下完全回复时间在0.6秒以内（图3d、e），表明聚合物网络对蓝相晶格的稳定作用增强，压缩均匀。而低灵敏度区间（−30°C至20°C）内，实现相同带隙位移需更大压力（0°C下4.5 N，−10°C下5.1 N，−20°C下6 N，−30°C下10 N），反射峰显著展宽（半高宽>100 nm）（图3c），且回复过程呈现非单调特征——先短暂“回缩”再缓慢恢复（−30°C至10°C为模式iii非单调回复），回复时间从10°C的2.4秒延长至−30°C的33秒（图3d、e）；−40°C（属玻璃态区）回复时间更长达46.5秒。这种差异源于低温下非聚合性液晶组分在应力诱导下从蓝相向胆甾相的局部相分离（支持信息图S16中可见蓝色雾状织构向胆甾多畴织构转变），以及聚合物链段运动能力降低所导致的弛豫时间延长（图3d₂）。

进一步分析应力-应变（波长变化率）曲线（图3f₁–f₃），基于高模量段（斜率k₁，小应变）和低模量段（斜率k₂，大应变）的划分，高灵敏度区间（20–60°C）的k₂小于6 MPa，而低灵敏度区间（−30°C至0°C）k₂从0°C的7.8 MPa增至−30°C的21.4 MPa，−40°C时更达46.7 MPa（图3f₄）。循环热加载（20°C至−70°C）和重复压缩-回复实验（60°C、20°C、−30°C）也验证了薄膜的优异光谱稳定性和可重复使用性。

图3 | 所制备BPLCE薄膜在-50°C至80°C范围内的耦合热-力-光响应。（a）不同温度区间内BPLCE薄膜在单轴压缩变形前（上）/后（下）的示意图：区间I：< -40°C玻璃态，结构/颜色几乎无变化；区间II-1：-30°C~20°C；区间II-2：20°C~60°C高弹态，结构变形伴随鲜艳颜色变化；区间III：>70°C粘弹态，无结构色。（b）BPLCE薄膜在不同温度压缩下的反射光谱：（b₁）-50°C，压缩过程中带隙轻微移动；（b₂）0°C，（b₃）60°C，压缩过程中明显的带隙移动；（b₄）80°C，无光学信号。（c）-40°C至60°C范围内BPLCE压缩过程中半高宽的变化，显示高灵敏度区间压缩时呈现窄峰（半高宽<80 nm），而低灵敏度区间随应力增加呈现宽峰（半高宽>100 nm）。（d₁）不同温度下压缩-回复过程中反射峰位置随时间的变化（薄膜在1秒内均匀压缩至490 nm带隙，然后撤去外力直至反射波长恢复原位），显示40°C~60°C为单调回复，-30°C~30°C为非单调回复。（d₂）BPLCE晶格经历回复过程的各种回复模式示意图：单调回复（d₂-i），一次回缩后恢复的非单调回复（d₂-ii、iii）。（e）BPLCE薄膜从-40°C至60°C回复时间的温度依赖性。回复时间随温度降低而增加，20°C~60°C（高灵敏度区间II-2）低于2秒，10°C时2.4秒延伸至-30°C时33秒（低灵敏度区间II-1），-40°C时46.5秒（区间I）。（f₁）40°C下BPLCE薄膜垂直单轴压缩的应力-应变（波长变化率）曲线，显示较陡的斜率（“高模量阶段”，高能耗状态）和较缓的斜率（“低模量阶段”，半软弹性状态）。（f₂、f₃）-40°C至60°C不同温度下获得的应力-应变（波长变化率）曲线（f₂）及局部放大图（f₃）。k₁和k₂分别表示曲线“高能耗”和“半软弹性”阶段的斜率。（f₄）计算所得k值与温度在区间I、II-1、II-2中的关系，对应图3a。随温度降低，k值相对升高，其中20~60°C（高灵敏度区间II-2）k₂小于6 MPa，0°C时升至7.8 MPa，-30°C时升至21.4 MPa（低灵敏度区间II-1），-40°C时达46.7 MPa（区间I）。

研究进一步揭示了组分调控对响应行为的影响规律：当RM105比例从0%增至25%时，BP-胆甾相转变温度从约60°C降至约48°C，同时玻璃化转变温度降低；当非聚合E7含量从50 wt.%降至30 wt.%时，单调回复模式（模式i）扩展至0°C–60°C，而非单调回复模式（模式iii）则被限制在−10°C至−30°C范围内（图4c）。这一转变温度的降低归因于聚合物网络比例增加对蓝相液晶体系的稳定化作用增强（图4）。

图4 | -50°C至70°C温度范围内BP晶格压缩诱导晶格变形及相应结构色偏移示意图。（a）样品在温度变化过程中存在三个区间。区间1（< -40°C）玻璃态，几乎无颜色变化；区间2（-30°C~60°C）高弹态，视觉力学传感区域，压缩下颜色变化明显；区间3（>70°C）各向同性态，无结构色。插图为非聚合液晶分子中发生和不发生相转变（BP→Chol）的情景。（b）低灵敏度区间内聚合物网络和非聚合BPI液晶在未受力和受力（发生相分离）状态下的BP晶格示意图。（c）非聚合组分E7含量为30 wt.%的BPLCE薄膜在-30°C~60°C不同温度下压缩-回复过程中反射峰位置随时间的变化。

手性光学信号的压缩响应

该蓝相液晶弹性体因使用右手性掺杂剂R5011而呈现固有的右手螺旋结构，未压缩时仅反射右旋圆偏振光（RCP），几乎不反射左旋圆偏振光（LCP）（图5a）。但研究发现，在压缩过程中，RCP反射显著减弱，LCP反射明显增强。例如在20°C下，载荷超过0.05 N时，RCP通道中出现暗环并逐渐扩大，而LCP通道中相应区域显著变亮（图5b）；反射光谱显示NoCP通道反射率稳定在约40%，RCP反射率从22%降至约5%，LCP反射率从约0%升至约10%（图5c）。值得注意的是，手性光学转变的激活压力随温度降低而减小：60°C下需0.3 N，40°C和20°C下仅需0.05 N，0°C下更只需0.01 N；在−20°C下，这一现象与各温度下0.5 N载荷时的变化趋势相一致（图5a）。透射偏光显微镜图像表明，RCP信号在压缩下减弱，但未观察到晶格手性反转的证据。变角度偏光显微镜（图5e）和圆二色光谱（图5f）分析表明，压缩后圆二色信号显著减弱（左峰下降约30%），但未发生手性反转，说明这种变化源于BPI三维手性结构的整体减弱，其机制是压缩导致蓝相晶格中双扭曲柱（DTC）最外层分子相对于螺旋轴的扭转角从45°减小至<45°（图5d）。胆甾相液晶弹性体的对照实验显示各角度光学均匀性相似。

图5 | BPLCE在变温压缩过程中圆偏振信号的演化。（a）-20°C至60°C压缩过程中反射圆偏振信号的手性演化。初始样品呈现固有的右手特性，几乎不反射LCP光，压缩过程中LCP光显著增强，同时RCP光减弱。这一转变过程在较低温度下更容易发生。（b）偏光显微镜图像（反射模式）；（c）反射光谱；（c）不同温度下BPLCE薄膜在无偏振片（NoCP）、右圆偏振片（RCP）和左圆偏振片（LCP）模式下随压力增加的反射强度变化趋势。（d）压缩导致最外层DTC分子相对于螺旋轴的扭转角从45°减小至<45°，引起BPLCE手性减弱。（e）NoCP模式下BPLCE在受压时变角度偏光显微镜图像。（f）未受力和受力状态下BPLCE薄膜的圆二色光谱及不对称因子gabs。

应用场景展示

基于上述优异性能，研究团队展示了多个面向实际应用的场景（图6）。在仿生偏振信息传输与识别系统中，受螳螂虾和招潮蟹启发（图6a-i），通过在红色BPLCE薄膜上压制3D打印模具，可在LCP通道中清晰呈现“BPLCE”字样图案，而RCP和NoCP通道中对比度变化极小（图6a-ii、iii），模拟了招潮蟹利用高对比度灰度识别机制降低视觉噪声的原理，为低温偏振通信提供了新思路。

在临界压力预警应用中（图6b），团队设计了具有阶梯式Wi-Fi图案高度的模具（图6b-i）。随着压力增加，中心圆点、短弧、中弧和完整弧依次出现，在20°C和−30°C下均呈现累积式图案（图6b-ii）。通过定义蓝点出现时的应力值（−30°C下约5.2 MPa）为“预警线”（图6b-iii），系统提供了直观的视觉压力超载报警功能，且预警阈值可通过模具设计灵活调控。

在全场面应力识别与传感应用中（图6c），团队建立了温度-应力-色调数据库，通过对图像进行像素级色调提取并转换为应力值，生成应力分布图（图6c-i）。实验中，在不同温度下用一元硬币按压薄膜，所拍摄图像经分析后均可准确输出压力分布云图（图6c-ii、iii）。动态响应测试表明，在−30°C下材料的力致变色响应时间仅为0.1–0.133 s（图6c-iv），这是通过逐帧视频分析运动区域（未变形区）与响应区域（着色区）之间的延迟测得的，满足实际低温传感需求。该薄膜可直接贴附于低温脆性材料加工或光电器件及超导组件装配中的工具表面（如夹具），提供微米级、全视场的接触应力实时视觉反馈，避免局部过载，确保装配均匀性（图6c-v）。

图6 | 多光学可视化方式的低温力学传感应用。（a）仿生偏振信息传输与识别。（i）受招潮蟹启发，在复杂环境中产生和检测偏振光以实现高对比度通信。（ii）BPLCE薄膜在未受力和受力状态下NoCP、RCP、LCP模式下的R-POM图像，以及加压后R-POM图像的对比通道（黄色轮廓）。（iii）BPLCE薄膜在未受力和受力状态下NoCP、RCP、LCP模式下的反射光谱。该仿生偏振识别系统展示了在自然栖息地之外低温偏振通信应用的巨大潜力。（b）临界压力预警。（i）“Wi-Fi信号”图案模具（具有不同高度凸起）示意图。（ii）BPLCE薄膜在25°C和-30°C下用“Wi-Fi信号”图案模具在递增应力下加压的R-POM图像。（iii）-30°C下薄膜不同区域（标记为5、4、3、2、1）采集的反射光谱；红线表示预警阈值。该系统在不同温度下均能提供直观的视觉压力超载警告，应力阈值可通过模具图案和高度设计灵活调控。（c）全场面应力识别与传感应用。（i）作为独立可重复使用的“智能模块”的智能传感技术流程示意图：建立温度-应力-色调数据库→通过提取像素级色调并转换为应力来分析图像→输出应力分布图。（ii-iii）在20°C和-20°C下用一元硬币按压BPLCE薄膜获得的照片（左）及相应的应力分布图（右）。（iv）-30°C下实时POM捕捉的BPLCE薄膜动态响应；箭头表示模具移动方向。（v）低温全局动态力学行为实时传感应用场景：-30°C下精密材料加工。插图中提供了未受力和受力样品的POM图像。

总结与展望

本研究通过“全链延伸-冷却辅助组装”策略成功制备了在−30°C至60°C宽温域内兼具高品质光学性能和优异柔韧性的蓝相液晶弹性体薄膜。该材料基于聚合物交联网络（力学响应性）与蓝相液晶畴（结构色信号）的协同效应，实现了可视力学传感功能。研究揭示了高灵敏度（20°C–60°C）和低灵敏度（−30°C–20°C）两种力致变色响应模式，其根源在于低温下聚合物网络柔性降低以及未聚合液晶在压缩过程中应力诱导下从蓝相向胆甾相的相转变。同时，该材料在压缩过程中呈现明显的手性光学转变，且低温更易激活这一过程。研究团队成功演示了偏振信息传输与识别、临界压力预警、全场面应力实时监测等多个应用场景，将复杂力学信息转化为直观光学信号。这一工作为低温工程中功能材料与器件的设计提供了全新范式，有望推动下一代智能传感材料在高端制造和极地探索中的实际应用。