上海交大姜学松教授、华东理工姚远副教授《自然·通讯》：相变诱导梯度光交联液晶弹性体的动态表面褶皱

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-03 07:33

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1 摘要

对外场刺激具有响应性的动态表面褶皱图案可用于动态的信息显示、应变传感、柔性电器件、自适应伪装等领域。与此同时，液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomer，LCE）是一种可以将液晶相变放大到整体形变的材料，具有独特的热、力学响应性质，研究者常通过各种编程实现液晶弹性体的多种相变驱动，是用来实现褶皱调控的可选材料之一。并且，不同液晶相态下的弹性体也显示出不一致光学性能，因此也有望将其用于图案显示的领域。近年来，基于硫醇-丙烯酸酯加成聚合（TAMAP）的LCE制备工艺极大程度上简化了液晶弹性体的灵活构筑。因此有望通过将LCE的相变实现其表面褶皱图案的制备与动态调控。

在此基础上，上海交通大学姜学松教授、华东理工大学姚远副教授报导了基于相变诱导梯度光交联液晶弹性体的动态表面褶皱图案工作，实现了相变诱导的表面褶皱图案的动态调控，并以此用作并用于薄膜表面图形信息存储、加密及解密。

2 工作部分

为了赋予LCE表面梯度交联的能力，作者选用了“蒽”作为紫外光交联单元，并通过3步反应合成了含蒽的二硫醇单体An(SH) ₂ 。随后使用一步TAMAP反应制备了含蒽的多畴液晶弹性体（AnLCE）。

制备的AnLCE使用“UV-SR”的方法表面起皱：通过表面紫外曝光后，对薄膜进行拉伸回缩，曝光区域即出现垂直于拉伸方向的褶皱图案。通过激光扫描共聚焦显微镜对拉伸回缩过程中的薄膜表面进行观测，可观察到薄膜在回缩过程中形成表面屈曲并演化，薄膜多次拉伸回缩后，表面屈曲形貌演化为具有正弦波形、室温下稳定存在的褶皱图案。褶皱生成机理是UV曝光与蒽二聚使得薄膜表面梯度交联，从而建立向光表层-薄膜本体之间的力学性质差异，最终导致了在拉伸-回缩下的表面起皱。

作者改变“UV-SR”的加工参数，发现改变UV曝光时间、拉伸比例均可改变表面褶皱尺寸（波长、振幅），实现了表面褶皱图案在微米、亚微米下的尺寸调控。

制备的表面褶皱图案表现出有趣的热-力响应性质：具有表面褶皱图案的薄膜经过加热至一定温度后，表面褶皱图案开始消除，表现为振幅随温度升高的持续下降。而褶皱消除后的薄膜，通过重新拉伸-回缩将其表面褶皱回复至原来的形貌，这种消除-复现的操作可以实现多次。

基于AnLCEE表面褶皱的稳定维持以及动态调控现象，作者猜测：AnLCE表面褶皱图案的热-力响应性质来自于液晶基元为表面褶皱图案提供的“稳定”以及“调控”作用，并且提出了图中的相变诱导动态表面褶皱机理。最终，通过对照实验、以及偏光显微镜观测等方法，作者证明了AnLCE表面动态褶皱的机制：热-力刺激使得AnLCE薄膜内的液晶基元在取向态-各向同性相-多畴相之间的转变，导致了AnLCE表面褶皱的形成、稳定以及动态调控。

利用上述AnLCE褶皱的动态特性和多种显示模式，作者展示了一种在AnLCE上制作动态和多模式防伪褶皱图案的方法：利用光的高时空分辨率，作者使用具有各种图案的光掩模版在AnLCE上制作多级次表面图案，其宏观尺寸图像与光掩模严格对应，并且在具有微观取向褶皱的图案。所得的图案在自然光、紫外光、偏振光这几个不同的观察场景下呈现出多种视觉效果。

同时，AnLCE表面褶皱图案的动态特性，使薄膜表面信息能够在“编码-解密-加密”的过程中制呈现具有多模式表面动态信息的宏观图案。由于加密和解密是分开进行的（加热和拉伸回缩），因此薄膜表面信息的“显示-隐藏”状态可以按需切换，从而保证了信息的安全性。

这种基于AnLCE表面动态褶皱的信息显示具备如下两个优势：（1）信息编码过程简单、成本低，只需使用掩模版和紫外光。（2）解密和加密按需控制，易于操作，稳定性良好。未来有望应用于便捷的信息存储、显示以及加密。

3 论文信息

该研究以题为“Phase-transition-induced dynamic surface wrinkle pattern on gradient photo-crosslinking liquid crystal elastomer”的论文发表于年末最新一期的《 Nature Communications 》期刊上。

华东理工大学硕士研究生温韬为第一作者，上海交通大学化学化工学院 姜学松教授 、 马天骄博士 、华东理工大学 姚远副教授 为本文通讯作者。

4 更多消息

课题组长期招收具有化学、力学、光学、材料学背景的优秀硕士/博士/博士后，欢迎有意向的同学积极投递！

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原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-55180-3

来源：高分子科学前沿

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