當(dāng)前主流的變色材料主要由無(wú)機(jī)分子或者可變色的染料分子構(gòu)成。天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊(duì)用高分子制備出一種厚度只有200微米，具有變色、記憶和自愈合功能的智能變色液晶高分子薄膜，這種薄膜在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用前景。

新買(mǎi)的包包可以隨意變換顏色，不小心刮破的衣服能像皮膚一樣愈合……這些似乎只在科幻電影里出現(xiàn)過(guò)的場(chǎng)景，如今已逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

日前，天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一種新型智能材料——智能變色液晶高分子薄膜（以下簡(jiǎn)稱薄膜）。這種新材料不僅能變色，還有形狀記憶和自愈合功能。相關(guān)研究被選為封面文章刊發(fā)在國(guó)際期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。

通過(guò)液晶分子周期排列實(shí)現(xiàn)材料變色

在神奇的自然界中，許多生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然選擇和進(jìn)化，逐漸演變出自適應(yīng)變色偽裝能力，以便能隨時(shí)躲避天敵。

比如變色龍就能夠通過(guò)主動(dòng)控制細(xì)胞層內(nèi)部的納米晶體排列結(jié)構(gòu)，根據(jù)周?chē)h(huán)境實(shí)現(xiàn)自身顏色的變化，達(dá)到與背景顏色匹配的目的。

研究發(fā)現(xiàn)，變色龍?zhí)幱谄届o狀態(tài)時(shí)，其細(xì)胞層內(nèi)部的納米晶體的排列是緊密的，可以特異性地反射短波長(zhǎng)的可見(jiàn)光；而面臨緊急情況時(shí)，變色龍就會(huì)通過(guò)機(jī)械力作用，主動(dòng)控制晶體的疏密程度，使晶體的排列變得更加松散，選擇性反射波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光。

“這些生物體獨(dú)特的表皮微納光學(xué)結(jié)構(gòu)及其自主動(dòng)態(tài)變色的機(jī)制，為我們開(kāi)發(fā)新型仿生智能變色材料提供了豐富的靈感。”天津大學(xué)材料學(xué)院高分子系教授封偉說(shuō)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)在仿生變色龍的智能變色材料方面取得了一系列重要進(jìn)展。膽甾相液晶等手性液晶材料是一類(lèi)具有周期性螺旋超結(jié)構(gòu)的手性軟光子晶體，不僅能選擇性地反射不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光，還能夠靈敏地響應(yīng)力、熱、電、光、磁等環(huán)境刺激變化，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)色的動(dòng)態(tài)變化。

封偉團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上，將動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵分子與液晶單體混合，通過(guò)溶劑揮發(fā)的方法使液晶單體分子自組裝成周期排列的膽甾相液晶結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)光照聚合得到一種厚度只有200微米，具有拉伸變色、形狀記憶功能和自愈合功能的液晶高分子薄膜。當(dāng)前主流的變色材料主要由無(wú)機(jī)分子或者可變色的染料分子構(gòu)成，通過(guò)有機(jī)高分子構(gòu)筑的變色材料比較少見(jiàn)。

“根據(jù)布拉格反射公式，材料的反射波長(zhǎng)與材料的微觀結(jié)構(gòu)排列周期是正相關(guān)的，光照到材料上時(shí)，只有特定波長(zhǎng)的光能從材料中反射出來(lái)形成顏色，這種顏色俗稱結(jié)構(gòu)色?！狈鈧ソ榻B，與染料的顏色不同，這種結(jié)構(gòu)色會(huì)更加鮮艷、更加穩(wěn)定。

薄膜內(nèi)部的液晶分子是周期排列的。在拉伸薄膜時(shí)，材料內(nèi)部液晶分子的排列周期會(huì)變短，因此會(huì)導(dǎo)致反射出來(lái)的顏色發(fā)生變化，這一變色機(jī)理與變色龍皮膚顏色的變化機(jī)理類(lèi)似，薄膜的結(jié)構(gòu)色可在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

引入動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵讓薄膜有記憶能愈合

團(tuán)隊(duì)還將動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵分子引入液晶高分子中，使得薄膜具有形狀記憶功能和自愈合功能。

“薄膜還擁有‘記憶編程’的特性，可以被拉伸成螺旋形、波形、圓柱形和更復(fù)雜的二維或三維形狀并保持不變，當(dāng)薄膜加熱到相變溫度以上后，又能恢復(fù)到最初的形狀?！狈鈧ソ忉屨f(shuō)，這是因?yàn)榧訜峒せ盍藙?dòng)態(tài)共價(jià)鍵發(fā)生鍵交換反應(yīng)，使液晶高分子在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用這種特性，他們通過(guò)反復(fù)將材料加熱到100℃和冷卻到25℃，讓材料實(shí)現(xiàn)了在三維形狀與二維形狀之間以及不同顏色之間的可逆轉(zhuǎn)換。

此外，因?yàn)樵诟叻肿泳W(wǎng)絡(luò)中加入的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，遇到水分子后會(huì)發(fā)生斷裂，水揮發(fā)后，動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵又會(huì)進(jìn)行重組恢復(fù)初始狀態(tài)，這樣薄膜就擁有了自愈合的能力。

這種薄膜的自愈能力十分驚人，而且自愈后仍然非常結(jié)實(shí)。團(tuán)隊(duì)將薄膜切成兩部分后，在損傷界面滴加水后，室溫下放置24小時(shí)，分開(kāi)的兩部分會(huì)自動(dòng)愈合，愈合后的薄膜被拉伸到原始長(zhǎng)度的180%也不會(huì)斷裂，并能承受自身1000倍的重量。

這項(xiàng)研究為制備兼具力致變色、形狀可編程和高效自愈合等特性的液晶高分子材料提供了一種既簡(jiǎn)單又通用的方法，有望為開(kāi)發(fā)仿生變色偽裝材料、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和軟體機(jī)器人等開(kāi)辟新的方向。

媲美變色龍皮膚的“超級(jí)材料”用途廣

經(jīng)過(guò)幾十年的研究與發(fā)展，智能變色材料的應(yīng)用已經(jīng)拓展到日常生活各個(gè)領(lǐng)域。比如，美國(guó)一家公司曾將熱致變色性涂料用在陶瓷杯上，室溫時(shí)陶瓷杯上的夜景，在倒入熱水后會(huì)變換成日間景象，通過(guò)圖案的變化就能知道杯子內(nèi)水的冷熱情況。

“具有結(jié)構(gòu)色的材料已經(jīng)在生活中有廣泛應(yīng)用?！狈鈧ヅe例說(shuō)，在輪胎邊緣加入合適的變色高分子材料能制成智能輪胎，當(dāng)外界溫度或內(nèi)部溫度超過(guò)輪胎的正常使用溫度時(shí)，智能輪胎會(huì)變色以示警告；變色高分子材料還可用于制作變色車(chē)窗玻璃、變色油漆，尤其是變色車(chē)窗是近十幾年發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研究的重要課題，目前，已有電致變色的調(diào)光玻璃應(yīng)用的報(bào)道，而光致變色和熱致變色的智能車(chē)窗玻璃還在進(jìn)一步研制之中。

智能變色材料還可以做成能指示冷熱的智能用品，例如將智能變色涂料鍍膜在木材、金屬、陶瓷等基材上，可做成能指示冷熱用的變色茶杯和嬰兒用的湯勺、奶瓶等。

另外，可變色的圓珠筆油、變色指甲油、變色兒童玩具、熱敏體溫計(jì)等產(chǎn)品都已經(jīng)問(wèn)世，這些產(chǎn)品極大地豐富了人們的生活。

防偽技術(shù)的研究歷來(lái)就是一個(gè)受到普遍關(guān)注的課題，迄今為止，防偽領(lǐng)域所采用的方法多為激光防偽，使用設(shè)備昂貴，造價(jià)高?！岸谥悄茏兩叻肿硬牧系姆纻畏椒ň哂胁僮骱?jiǎn)單、識(shí)別方便、成本低等特點(diǎn)，在技術(shù)保密性和防偽有效性等方面都有較大的優(yōu)勢(shì)?！狈鈧フf(shuō)。

目前，化學(xué)防偽標(biāo)記一般直接印刷在商標(biāo)、標(biāo)簽、封簽或外包裝上，因此制作化學(xué)防偽標(biāo)記的關(guān)鍵是制備防偽印刷油墨，制備這種油墨的變色材料需要耐久性好、成本低，其變色發(fā)生的溫度及變化的顏色要具有可選擇性，因此智能變色材料也是化學(xué)防偽標(biāo)記的首選材料。

將智能變色材料涂在織物上還可以做成變色服裝，這種衣服穿在身上，會(huì)隨著季節(jié)不同、地區(qū)不同、溫度不同而呈現(xiàn)出不同的色彩。這種智能變色材料同樣也可以用于桌布、窗簾等各種變色紡織品的生產(chǎn)。

“未來(lái)我們計(jì)劃制備出仿變色龍皮膚的變色偽裝材料，使材料的顏色能夠與背景環(huán)境的顏色相匹配，實(shí)現(xiàn)變色偽裝的目的?！狈鈧フf(shuō)。

此外，很多高分子材料如橡膠、塑料、涂料、纖維等都是重要的工業(yè)材料，每年磨損消耗巨大，而讓這些材料擁有自愈合的能力，就可以提高它們的使用壽命，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

不僅如此，我們生活中的很多高分子材料如塑料、橡膠等在長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)破損，如果這些材料能夠自愈合，那么它們就會(huì)有更長(zhǎng)的使用壽命，有利于減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。

“不過(guò)目前這種智能變色液晶高分子薄膜還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)?！狈鈧ソ榻B，這是因?yàn)樵谥苽浞椒ㄉ犀F(xiàn)在還有很多技術(shù)不成熟，如何精確控制液晶單體分子自組裝，實(shí)現(xiàn)大面積、均勻的、明亮的結(jié)構(gòu)色，這些仍是目前面臨的難點(diǎn)。（陳 曦）