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理化所在蓝相液晶弹性体低温可视化力学传感研究方面取得新进展

稿件来源：仿生智能界面科学中心发布时间：2026-06-24

极地科考、低温制造等特殊应用场景对能够在严寒环境下稳定工作的力学传感材料提出了迫切需求。传统的电信号传感方式在强磁场、高电流、低温或水下等复杂环境中性能不稳定，且难以直观呈现应力空间分布。受自然界变色龙、头足类等生物的启发，耦合光学信号与机械应力的基于结构色的力学监测，可为实现集成化、轻量化的低温智能传感提供了新思路。蓝相液晶（BPLC）是以双扭柱结构为基本组装单元形成的三维立方晶格超材料，展现出独特的手性光学、全向光子带隙与快速电光响应特性。蓝相液晶弹性体（BPLCE）能有机结合BPLC的优异光学性能及弹性体的优良机械柔韧性，为柔性光电子器件发展提供了创新应用。然而，开发适用于低温环境（<0 °C）的视觉力学传感材料仍面临严峻挑战：一方面，难以制备兼具低温柔韧性和高质量光学结构的BPLCE薄膜；另一方面，对其在低温条件下的热-光-力-结构耦合关系的理解尚不充分，这极大地限制了蓝相液晶在极端环境下的传感应用。

近日，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心江雷院士、王京霞研究员团队，联合低温科学与技术全国重点实验室低温材料及应用超导研究中心李来风研究员团队，提出了一种“全链延伸-降温辅助组装”创新策略，成功制备了高品质蓝相液晶弹性体。该材料在-30 °C至60 °C的宽温域内展现出优异的柔韧性与可视化力学传感能力。首次系统揭示了基于应力温度双重诱导的非聚合液晶协同聚合物材料相变的高敏感（20 °C ~60 °C）与低敏感（-30 °C ~20 °C）双区间力致变色行为，阐明了压缩诱导的手性光学演化规律，开拓了蓝相液晶在低温视觉力学传感领域的应用新范式，实现了偏振信息传输、临界压力报警及低温全场应力可视化等创新应用，为低温环境下的先进视觉力学传感提供了全新解决方案。该工作对推动柔性光子材料在极地科考、低温制造、智能传感等领域的应用具有重要意义。

该团队通过“全链延伸-降温辅助组装”策略，精确调控聚合物网络结构与蓝相晶格组装过程（见图1）。研究发现，引入交联剂RM105显著增强了聚合物网络的弹性与拉伸变形能力。通过精确控制降温速率（尤其是BPII至BPI相变阶段，速率低至约0.01 °C/5-10分钟），成功实现了大面积单畴BPLCE的可控制备。所得薄膜在紫外聚合后呈现出中心波长约600 nm的尖锐反射峰，Kossel衍射图与同步辐射小角X射线散射（USAXS）图案清晰确认了三维立方晶格的有序结构。该薄膜可独立成膜并制成莫比乌斯环，展现出优异的力学柔韧性。与已报道材料相比。该BPLCE在低温力致变色工作温度（-50°C ~60°C）、圆偏振分析能力（-20~60 °C）及热-力-光耦合关系表征等方面均具有显著优势。

研究团队系统揭示了BPLCE在-50 °C至80 °C范围内的耦合热-力-光响应行为（图3,4）。随着温度降低，材料经历三个特征区间：区间I（< -40 °C，玻璃态，结构色几乎不变）、区间II（-30~60 °C，高弹态，力致变色显著）、区间III（>70 °C，粘弹态，无结构色）。值得注意的是，在区间II内进一步划分出高敏感区（20~60 °C）和低敏感区（-30~20 °C）。反射光谱表明，在-50 °C下压缩时，反射峰仅发生微小移动；而在0 °C和60 °C下压缩时，反射峰分别从约600 nm显著蓝移至约500 nm和约440 nm。FWHM随应力增加在高敏感区保持窄峰（<80 nm），在低敏感区则展宽至>100 nm。压缩-回复实验显示，在20~60 °C波谱变化呈现单调回复，而在-30~20 °C波谱呈现非单调回复行为；回复时间随温度降低而延长，回复时间变化呈现了明显的高敏区和低敏区。应力-应变（波长变化率）曲线呈现出“高模量段”（高能耗状态）与“低模量段”（半软弹性状态）两段特征，斜率k₁和k₂随温度降低而显著增加，呈现明显的高敏区和低敏区。这一双区间行为的物理机制在于：低温下聚合物网络链段柔韧性减弱，同时应力诱导非聚合液晶分子从蓝相向胆甾相的相变被显著抑制，从而降低了力致变色灵敏度。

此外，该团队系统阐明了压缩过程中蓝相晶格的变形机制与手性光学演化规律（图5）。通过实验与模拟Kossel衍射图的对比，确认了单轴压缩下蓝相I晶格的形变特征：反射峰从600 nm蓝移至440 nm时，(101)、(011)、(101̅)、(011̅)晶面弧及(110)晶面环发生相应变化。在不同温度区间，压缩诱导的结构色变化对应于晶格间距的减小。尤为重要的是，研究发现压缩过程中BPLCE会发生明显的手性光学转变。初始样品呈现固有的右旋手性特征，反射的左旋圆偏振（LCP）光极弱；压缩过程中，LCP光增强，同时右旋圆偏振（RCP）光减弱，且这一转变在较低温度下更易发生。圆二色性（CD）光谱显示，压缩后材料的g因子绝对值从约0.6降至约0.2，证实了手性减弱。该现象的微观机制为：压缩导致最外层双扭柱分子相对于螺旋轴的扭转角从45°减小至小于45°，从而削弱了BPLCE的手性。

基于上述优异性能，团队展示了BPLCE在低温视觉力学传感领域的多项创新应用（图6）。首先受招潮蟹启发，构建了仿生偏振信息传输与识别系统。在NoCP、RCP、LCP三种模式下，压缩前后的BPLCE薄膜呈现出截然不同的偏振光学对比度，为复杂环境下的高对比度偏振通信提供了新方案。其次，设计了临界压力报警系统。通过制备具有不同高度凸起的“Wi-Fi信号”图案模具，在25 °C和-30 °C下施加不同应力时，不同高度区域依次发生颜色变化。可设定红色预警阈值，实现直观的过载压力视觉预警，且应力阈值可通过模具图案与高度设计灵活调控。第三，实现了低温全场应力识别与实时动态监测。通过建立温度-应力-色调数据库，将像素化色调提取并转换为应力分布图，成功实现了在20 °C和-20 °C下用一元硬币按压BPLCE薄膜的应力分布可视化。在-30 °C下，实时POM捕捉了模具移动过程中的动态响应，展示了该材料在精密材料制造等低温场景中全场动态力学行为实时传感的应用潜力。

该研究成果以Low-Temperature Visual Mechanical Sensing via Uniaxial Compression of Blue Phase Liquid Crystal Elastomer为题，发表在Advanced Materials期刊上。该文章通讯作者为王京霞研究员、李来风研究员。中国科学院理化所博士生叶宇轩和杨文杰为文章共同第一作者。理化所孙文涛高级工程师为蓝相液晶弹性体的低温力学测试和分析提供帮助，王萍丽项目正高级工程师为蓝相液晶弹性体的设计及表征提供指导和帮助。相关蓝相液晶晶格结构的表征由上海高能所李秀宏研究员协助完成（BL10U1线站），中国科学院理化所江雷院士为本研究提供了专业指导和帮助。研究得到了国家自然科学基金项目，中国科学院国际合作项目，中国博士后科学基金的支持。

近年来，中国科学院理化技术研究所江雷院士、王京霞研究员团队持续聚焦蓝相液晶的结构调控、相行为及其光子器件应用并取得了系列重要突破。例如，团队率先利用商用液晶材料成功制备出具有宽温域、高品质的蓝相液晶聚合物（J. Mater. Chem. C 2019, 7, 9460）。在此基础上，通过透射电镜、同步辐射、2D光学表征等多种先进手段，揭示了蓝相液晶的马氏体转变机制（Nat. Commun. 2021, 12, 3477），并深入研究了聚合物蓝相液晶的光学热稳定性（Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2412439）。团队还建立了蓝相液晶晶格对称与非对称变形条件下三维衍射光学响应的定量建模方法，实现了复杂晶格形变光学行为的可预测模拟（Laser & Photonics Reviews. 2025, 19, 2402278）。进一步，团队开发了基于聚合物蓝相液晶的高品质激光谐振腔，通过调控带隙变化实现了单模、双模、三模及四模激射的可控调制（Adv. Mater. 2022, 34, 2108330）。通过优化聚合物蓝相液晶的组成及聚合度，团队成功将蓝相激射的温域扩展至超过400℃（-180℃~230℃）（Adv. Mater. 2022, 34, 2206580; Adv. Mater. 2024, 36, 2308439）。团队还通过迈克尔加成反应制备了柔性蓝相液晶弹性体，并原位表征了其拉伸变形过程对晶格结构及光学性能的影响，研究了宽温域的拉伸激光性能（Adv. Mater. 2025, 37, 2416448）。团队基于软限域组装法，通过精确控制软模板的曲率结构，一次性在同一基底上集成了具有不同相态（各向同性态、BPII、BPI）的复杂图案，实现了蓝相液晶微激光阵列的高分辨制备（J. Am. Chem. Soc., 2026, 148, 240−248 ）。在此基础上，团队材料微流控异质集成思路，制备了双手性蓝相阵列，并研究了其在程序化激光防伪方面的应用（Adv. Funct. Mater., 2026,36:e75622），制备了一体化双层蓝相液晶光学器件，系统揭示了三维手性晶格的角度相关偏振激射规律，实现了高性能圆偏振发光与圆偏振激光输出（Adv. Funct. Mater., 2026, 0:e7629），并完成多通道光信号编解码功能演示详细研究了蓝相的圆偏振激光性能. 此外，团队还将蓝相液晶模板应用于光子纸领域，通过将聚合物模板蓝相（PTBPs）与喷墨打印技术相结合，利用小分子液晶5CB作为墨水，实现了高精度“活”图案的制备（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110985），并突破性地实现了3D手性色彩单元的可编程时空调控与加密（Adv. Mater. 2025, 37, 2411988），以及提出了制备结构连续且色彩均匀的双手性蓝相液晶（DH-BP）薄膜的优化方案（ACS Appl. Mater. Interfaces. 2025, 17, 18907）。此外，通过多种墨水的协同印刷技术，精准构建了具备温度-时间依赖性的动态图案（Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2424107,），并系统综述了光子墨水–光子纸”双材料蓝相体系框架，为蓝相结构色材料的可编程构筑提供了新的思路（Adv. Funct. Mater 2025, e27923）进一步拓展了蓝相液晶在智能光子显示与信息加密领域的应用前景。同时，本次在低温视觉力学传感方面的突破，进一步彰显了蓝相液晶在极端环境智能传感领域的巨大潜力，为其在柔性可穿戴设备、智能传感技术等方向的发展注入了新活力。