摘要：在当今高度信息化的社会中，信息存储材料的发展极大地促进了社会进步，但同时也引发了信息安全方面的挑战。为了提高信息安全性，研究人员已开发出光学墨水、发光图案和激光全息标签等多种光学信息加密技术。静态信息加密主要依靠改变光学模式来显示信息，而动态加密则依赖于材料对

在当今高度信息化的社会中，信息存储材料的发展极大地促进了社会进步，但同时也引发了信息安全方面的挑战。为了提高信息安全性，研究人员已开发出光学墨水、发光图案和激光全息标签等多种光学信息加密技术。静态信息加密主要依靠改变光学模式来显示信息，而动态加密则依赖于材料对外界刺激（如光、热、力等）的响应过程。胆甾型液晶弹性体（CLCEs）因其独特的螺旋周期结构和优异的光学与力学性能，在信息加密和仿生驱动领域显示出巨大潜力。然而，大多数CLCEs材料呈透明状态，需依赖黑色背景衬底才能显现鲜艳的结构色；同时，在同一材料上实现动态信息加密与复杂刺激响应驱动仍是一个重大挑战。

近日，西北工业大学张秋禹教授、葛飞杰教授通过向CLCEs中引入炭黑（CB）纳米颗粒，成功制备出具有明亮结构色的薄膜材料，不仅无需衬底即可清晰显示色彩，还能实现多级信息加密与近红外光驱动的多模式形变。该材料通过光掩模调控局部交联密度，实现在拉伸或加热条件下加密图案的可视化，同时具备光热驱动能力，为软体机器人和光学显示设备提供了新型多功能材料。相关论文以“Carbon Black-Containing Cholesteric Liquid Crystal Elastomers Enabling Multi-Level Information Encryption and Multimode Actuation”为题，发表在

研究人员采用一步法硫醇-丙烯酸迈克尔加成反应制备了前驱体CLCEs（PCLCEs）薄膜，并通过溶剂蒸发诱导组装形成螺旋结构。如图1所示，所使用的反应组分包括非手性液晶单体RM257、手性单体LC756、链延长剂EDDT、交联剂PETMP以及光引发剂Irgacure 1173。图1b展示了薄膜的制备过程：在催化剂TEA作用下，通过迈克尔加成反应形成聚合物网络，随着溶剂甲苯的挥发，手性分子诱导液晶分子自组装成螺旋排列的胆甾相结构。最终得到的PCLCE₀.₁₆薄膜厚度约为540 μm，呈现明亮的红色，且具备良好的力学性能与结构色稳定性。

图1. a) 用于制备PCLCEs的非手性液晶单体、手性单体、链延长剂、交联剂、光引发剂和催化剂的化学结构示意图； b) PCLCEs薄膜制备过程的示意图。

图2展示了PCLCE₀.₁₆薄膜的流变学行为、化学结构、力学变色效应及其光学性能。图2a显示混合物在反应过程中储能模量与损耗模量的交点出现在2小时43分钟，表明此时发生凝胶化。FTIR光谱（图2b）中SH键特征峰（2569 cm⁻¹）的消失表明硫醇完全反应，而C=C双键峰（1635 cm⁻¹）仍存在，说明体系中残留丙烯酸酯基团。图2c和2d显示随着应变从0%增至160%，薄膜厚度减小，颜色由红变蓝，反射波长发生蓝移。图2e的CIE色度图表明颜色饱和度较高。图2f和2g的POM和WAXS结果显示拉伸后样品出现明显的亮暗交替现象和取向性增强，说明螺旋结构在拉伸过程中发生变形。图2i–k展示了在不同偏振片下反射光谱随应变的变化，表明材料具备超反射特性。

图2. a) PCLCE₀.₁₆制备过程中储能模量和损耗模量随时间的变化； b) 反应物及PCLCE₀.₁₆的FTIR光谱； c) PCLCE₀.₁₆薄膜厚度与反射波长随机械应变的变化； d) PCLCE₀.₁₆薄膜随拉伸应变的颜色变化； e) 不同应变下PCLCE₀.₁₆薄膜的CIE 1931色度图，箭头表示拉伸方向； f) 初始状态和120%应变下PCLCE₀.₀₄样品的POM图像； g) 初始和120%应变下PCLCE₀.₁₆样品的2D-WAXS图像，白色箭头表示取向方向； h) 不同应变下PCLCE₀.₁₆薄膜的2D-WAXS图谱的方位角散射强度分布； i–k) 不同应变下PCLCE₀.₁₆样品在不同偏振片下的反射光谱。

图3研究了CB含量对PCLCEs性能的影响。随着CB含量从0增至0.32 wt%，薄膜的结构色逐渐鲜艳，反射峰窄化，颜色饱和度提高（图3a–c）。力学性能测试表明（图3d），CB的加入略微降低了拉伸强度和断裂应变，但所有样品均表现出良好的弹性。DSC和TGA结果显示（图3e,h），CB的加入降低了玻璃化转变温度（Tg）和液晶-各向同性转变温度（Ti），但材料仍具备较高的热稳定性。光热实验表明（图3f,g），CB的引入使材料具备显著的光热效应，在近红外光照射下可在几秒内升温至超过Ti，实现快速光热驱动。

图3. a) 不同CB含量的PCLCEs薄膜在不同时间后的光学照片； b) PCLCEs薄膜的反射光谱； c) PCLCEs薄膜反射波长和颜色饱和度的变化； d) PCLCEs样品的断裂应力和应变变化； e) PCLCEs样品的DSC曲线； f) PCLCEs薄膜表面温度随近红外光照射时间的变化（光功率密度：360 mW cm⁻²）； g) PCLCE₀.₁₆薄膜在不同光强下的表面温度变化； h) PCLCEs样品的热重曲线。

图4展示了基于光掩模的区域化交联调控实现的多级信息加密。通过控制紫外曝光时间，在不同区域引入交联密度差异，从而在拉伸或加热时出现图案的可视化。图4a–c展示了“阈值应变触发动态图案”和“连续应变诱导序列可视化图案”两种加密模式，以及最终实现的“CHEAT”多级信息加密效果。加热时，由于热膨胀程度不同，部分区域反射波长进入红外波段，显示出黑色图案，实现热致加密。

图4. a) 复杂信息加密制备过程示意图； b) 力诱导和 c) 热诱导的欺骗性防伪效果。

图5和图6展示了CLCEs在近红外光或热刺激下的多模式仿生驱动行为。图5a–c分别模拟了毛毛虫爬行、向日葵转向和球鼠妇滚动的运动模式。图6a展示了高斯曲率动态切换行为，模仿捕蝇草的开合；图6b则通过不同颜色的CLCEs片层粘接，实现了仿生花朵的开花与凋谢过程。

图5. 近红外光引导的多模式仿生运动（黑线间距：1 mm）：a) 爬行；b) 旋转；c) 滚动。

图6. 热板上实现的复杂形变：a) 动态高斯曲率切换；b) 仿生花朵的开花与凋谢。

图7进一步展示了信息加密与刺激驱动功能的集成。通过在拉伸状态下进行非对称紫外交联和图案化曝光，制备出可在加热过程中同时发生颜色变化、形状收缩和信息显示的智能驱动器。该驱动器在90°C热台上可逆地显示隐藏的“V”字信息，并在多次循环中保持稳定性。

图7. CLCE₀.₁₆条带上的信息加密与刺激驱动集成：a) 平面信息加密；b) 包裹式信息加密。

该项研究成功开发出一种集高饱和度结构色、力学变色、热致变色、光热驱动与多级信息加密于一体的多功能CLCEs材料。通过简单的光图案化和机械拉伸编程，实现了复杂的三维形变和多模式运动，为高端光学材料、软体机器人和信息安全设备的设计提供了新思路。未来，该材料有望在动态显示、自适应伪装和智能防伪等领域发挥重要作用。

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来源：白兔讲科学