北京化工大學郭金寶教授《自然·通訊》：仿生智能材料新突破：受吉丁蟲啟發的形狀-顏色雙記憶光子彈性體

在當今科技飛速發展的背景下，能夠適應復雜多變環境的新型材料需求日益迫切。形狀記憶聚合物以其可編程臨時形狀的優勢，成為解決相關挑戰的關鍵候選材料。然而，復雜的編程步驟和材料性能的不可變性限制了其進一步應用。特別是如何在實現形狀記憶的同時，充分利用液晶材料（如具有獨特結構色的手性液晶彈性體）的特殊性能，并克服其手性環境對結晶和強化的限制，是該領域長期面臨的難題。

近日，北京化工大學郭金寶教授、西京學院趙玉真教授合作提出了一種創新解決方案。受吉丁蟲從柔軟幼蟲蛻變為堅硬成蟲并保留結構色的過程啟發，研究人員設計了一種剛度可切換的手性液晶彈性體。該材料通過在聚合物網絡中引入線性長側鏈，增強了體系的相變趨勢。在室溫下，材料能自發發生微相分離，形成更有序的近晶相和結晶相區域，同時保留作為結構色載體的手性向列相。這一過程使材料的楊氏模量在48小時內提升了1854%，實現了形狀與結構色的同步記憶，且可通過加熱完全恢復。基于此，研究團隊演示了彩色形狀的記憶、高保真紋理的存儲，以及可用于信息加密和循環擦寫的可重寫光子紙。相關論文以“Buprestidae metamorphosis-inspired stiffening photonic elastomers for shape-color integrated memory and information encryption”為題，發表在

Nature Communications

研究團隊首先從吉丁蟲的蛻變過程（圖1a）中獲得靈感，旨在通過材料硬化同時記憶三維形狀和結構顏色。他們分析了傳統手性向列相液晶彈性體（CLCE）的局限（圖1b），并設計出具有長側鏈的剛度可切換手性液晶彈性體（SS-CLCE）。這種新材料（圖1c）能夠在室溫“老化”過程中，從手性向列相（N*）部分轉變為近晶C相（SmC）并形成結晶，從而實現微相分離和物理交聯，顯著提升剛度（圖1d），并賦予形狀顏色一體化記憶效應（圖1e）。

圖1 剛度可切換手性液晶彈性體（SS-CLCE）的設計策略與性能。a 靈感來源于吉丁蟲的蛻變過程。b 傳統手性向列相液晶彈性體的網絡結構及分子排列示意圖。c 本工作設計的SS-CLCE網絡結構及分子排列的動態變化示意圖，同時展示了近晶C相和有序結晶相的局部分層結構。d 傳統CLCE與SS-CLCE的機械性能差異。e 相變誘導的物理交聯實現了SS-CLCE的記憶效應。需要注意的是，傳統CLCE僅涉及對角線上的過程。

材料的合成采用了成熟的兩步交聯法（圖2a, b）。與傳統CLCE相比，SS-CLCE（圖2d）在偏振光顯微鏡下呈現多疇紋理，差示掃描量熱法曲線顯示雙吸熱峰，表明確實存在相分離和結晶。加熱后，SS-CLCE的楊氏模量和應變能密度大幅下降（圖2e），X射線衍射圖譜中的結晶峰消失（圖2f），傅里葉變換紅外光譜也證實了有序結構的破壞（圖2g），印證了其剛度可切換的特性。

圖2 輕度交聯網絡的構建及相態表征。a 制備CLCE的組分。b 基于兩步交聯法構建的擴鏈交聯網絡結構。c 傳統CLCE和 d SS-CLCE的照片（比例尺：1厘米）、POM圖像（比例尺：100微米）及DSC曲線，所有相變溫度定義見補充圖4。兩樣品照片下方分別展示了三維網絡中是否存在相分離的示意圖。藍色棒代表介晶單元的螺旋排列，白色棒代表更有序的結構。e SS-CLCE加熱和老化后的應力-應變曲線，f XRD譜圖，及 g FTIR譜圖。老化指在30°C放置24小時，加熱指在80°C放置1分鐘。

為了深入探究剛度切換背后的結構原因，研究人員進行了原位變溫二維廣角X射線散射等微觀結構表征（圖3a）。分析表明（圖3b-d），老化后的SS-CLCE中同時存在結晶峰和對應于近晶相層狀結構的長周期峰。隨著溫度升高，這些有序結構逐步被破壞。二維小角X射線散射進一步證實了SmC相的存在，并揭示了拉伸對其層狀結構取向的影響（圖3f-h）。這些結果清晰地展示了SS-CLCE中N*相、SmC相和結晶相共存的多相結構（圖3i），正是這種微相分離導致了材料的自增強效應。

圖3 SS-CLCE的微觀結構表征。a 原位變溫二維廣角X射線散射圖案。我們設定了相應參數并觀察了廣角區（上）和小角區（下）的變化。b 廣角區的一維徑向積分曲線及 c 其局部放大視圖（灰色方框內），紅色虛線表示峰位置。d 小角區的一維徑向積分曲線。插圖顯示了小角區有效數據的放大視圖。e 液晶多疇結構示意圖。f 拉伸前（上）和拉伸后（下）的二維小角X射線散射圖案。箭頭表示拉伸方向。g 不同應變條件下的一維徑向積分曲線（上）和一維方位角積分曲線（下）。h 近晶C相中分子排列示意圖，紅色方塊代表拉伸前后的層狀結構。i 分子排列與尺寸示意圖。需注意，為清晰起見省略了間隔鏈，但它們也參與了有序結構的形成。

SS-CLCE同時具備顯著的機械致變色特性。加熱軟化后拉伸，薄膜顏色從白色泛橙紅均勻過渡為鮮艷的藍色（圖4a），這是由于螺旋結構的取向逐漸統一，反射峰藍移并變窄所致。而老化后的堅硬薄膜在拉伸時，由于物理交聯的限制，顏色變化則呈現從邊緣開始的非均勻特征（圖4b）。研究系統考察了老化時間和溫度對自增強效果的影響（圖4c, f）。在20°C下，材料的模量和韌性隨老化時間顯著增加，呈現先慢后快再慢的S型增長趨勢（圖4c）。掃描電鏡圖像直觀顯示了部分區域螺旋結構的缺失，印證了相分離的存在（圖4d）。老化溫度也至關重要，在接近但不超過熔點的溫度（30-40°C）下，自增強效果最佳（圖4e, f）。這揭示了該液晶聚合物材料的相變具有溫度和時間雙重依賴性（圖4g）。

圖4 SS-CLCE的選擇性反射與機械可切換性能。 薄膜在 a 加熱后及 b 老化后，反射顏色隨拉伸的變化。紅色虛線圓圈表示數據采集位置。c 在20°C不同老化時間下，應變范圍0至100%的應力-應變曲線。右半部分展示了楊氏模量和應變能密度的計算值（插圖是較短老化時間數據的放大視圖）。d SS-CLCE的截面SEM圖像，黃線表示螺距長度和方向，虛線標記了螺距缺失的區域。e 不同溫度老化后的DSC曲線。f 在固定時間24小時、不同溫度老化后，0-100%應變范圍的應力-應變曲線。虛線箭頭反映了升高老化溫度對自增強效果的影響。g 依賴于溫度與時間的相變示意圖。

基于出色的剛度切換能力，SS-CLCE可實現形狀與顏色的一體化編程記憶（圖5a）。條狀薄膜加熱軟化后，可被塑形成貨架狀或螺旋狀等復雜臨時形狀，并因變形產生相應的結構色。經過室溫老化固定后，臨時形狀能保持剛性并承載一定重量。再次加熱即可擦除臨時形狀，恢復原始狀態，進行下一輪編程（圖5c）。研究還成功演示了對大尺寸、具精細紋理的“孫悟空”面具的形狀記憶（圖5d），展示了其實際應用的潛力。

圖5 剛度切換與形狀-顏色一體化編程演示。a 編程策略說明。兩條虛線分別對應8小時和24小時。b 條狀SS-CLCE的承載實驗。加熱破壞了物理交聯，使其回到未老化狀態。c SS-CLCE薄膜的單向編程，展示了兩個臨時形狀的記憶過程與程度。d 大尺寸及復雜形狀編程的可行性驗證。圖5中所有比例尺均為1厘米。

此外，該材料為信息加密提供了新思路。通過對均勻的白色薄膜進行局部加熱“書寫”，可在不改變表觀顏色的情況下，局部降低材料模量。被書寫的信息處于加密狀態，無法直接讀取。解密需要兩把“鑰匙”：首先是右旋圓偏振片，可過濾背景散射光，顯露出橙紅色背景；其次是雙軸拉伸，軟硬區域的不同變形導致結構色差異，從而使加密的文字（如“2025”、“CLCE”）以高對比度的黃綠色圖案顯現出來（圖6a-c）。信息展示后可通過老化固定，也可通過整體加熱并重新老化來實現信息的完全擦除與重寫，實現了在單一薄膜上的可循環加密。

圖6 加密信息書寫演示。a 熱書寫-解密-擦除過程示意圖，右旋圓偏振片和拉伸作為解密的兩把鑰匙。b 熱書寫過程的照片。c 信息書寫、解密與擦除結果的照片。圖6中所有比例尺均為1厘米。

這項研究受生物啟發，通過引入線性長側鏈，成功設計出具有自發硬化能力的剛度可切換手性液晶彈性體。該材料在室溫下可實現形狀與結構色的同步、一體化記憶，編程過程能耗低，且具備可重寫的信息加密功能。SS-CLCE可逆的剛度切換與動態結構色特性，為形狀記憶聚合物的設計提供了一種新范式，打破了聚合物體系中機械性能與顏色表現之間長期存在的限制，在智能偽裝、柔性顯示、信息加密和軟體機器人等領域具有廣闊的應用前景。