薄膜|智能液晶高分子薄膜会变色、有记忆、能自愈

当前主流的变色材料主要由无机分子或者可变色的染料分子构成。天津大学封伟教授团队用高分子制备出一种厚度只有200微米，具有变色、记忆和自愈合功能的智能变色液晶高分子薄膜，这种薄膜在多个领域展现出应用前景。
新买的包包可以随意变换颜色，不小心刮破的衣服能像皮肤一样愈合……这些似乎只在科幻电影里出现过的场景，如今已逐渐成为现实。
日前，天津大学封伟教授团队成功研发了一种新型智能材料——智能变色液晶高分子薄膜（以下简称薄膜）。这种新材料不仅能变色，还有形状记忆和自愈合功能。相关研究被选为封面文章刊发在国际期刊《德国应用化学》上。
通过液晶分子周期排列实现材料变色
在神奇的自然界中，许多生物经过亿万年的自然选择和进化，逐渐演变出自适应变色伪装能力，以便能随时躲避天敌。
比如变色龙就能够通过主动控制细胞层内部的纳米晶体排列结构，根据周围环境实现自身颜色的变化，达到与背景颜色匹配的目的。
研究发现，变色龙处于平静状态时，其细胞层内部的纳米晶体的排列是紧密的，可以特异性地反射短波长的可见光；而面临紧急情况时，变色龙就会通过机械力作用，主动控制晶体的疏密程度，使晶体的排列变得更加松散，选择性反射波长更长的光。
“这些生物体独特的表皮微纳光学结构及其自主动态变色的机制，为我们开发新型仿生智能变色材料提供了丰富的灵感。 ”天津大学材料学院高分子系教授封伟说。
近年来，国内外研究团队在仿生变色龙的智能变色材料方面取得了一系列重要进展。胆甾相液晶等手性液晶材料是一类具有周期性螺旋超结构的手性软光子晶体，不仅能选择性地反射不同波长的可见光，还能够灵敏地响应力、热、电、光、磁等环境刺激变化，呈现出结构色的动态变化。
【薄膜|智能液晶高分子薄膜会变色、有记忆、能自愈】封伟团队在此基础上，将动态共价键分子与液晶单体混合，通过溶剂挥发的方法使液晶单体分子自组装成周期排列的胆甾相液晶结构，最后通过光照聚合得到一种厚度只有200微米，具有拉伸变色、形状记忆功能和自愈合功能的液晶高分子薄膜。当前主流的变色材料主要由无机分子或者可变色的染料分子构成，通过有机高分子构筑的变色材料比较少见。
“根据布拉格反射公式，材料的反射波长与材料的微观结构排列周期是正相关的，光照到材料上时，只有特定波长的光能从材料中反射出来形成颜色，这种颜色俗称结构色。 ”封伟介绍，与染料的颜色不同，这种结构色会更加鲜艳、更加稳定。
薄膜内部的液晶分子是周期排列的。在拉伸薄膜时，材料内部液晶分子的排列周期会变短，因此会导致反射出来的颜色发生变化，这一变色机理与变色龙皮肤颜色的变化机理类似，薄膜的结构色可在可见光谱范围内进行动态调节。
引入动态共价键让薄膜有记忆能愈合
团队还将动态共价键分子引入液晶高分子中，使得薄膜具有形状记忆功能和自愈合功能。
“薄膜还拥有‘记忆编程’的特性，可以被拉伸成螺旋形、波形、圆柱形和更复杂的二维或三维形状并保持不变，当薄膜加热到相变温度以上后，又能恢复到最初的形状。 ”封伟解释说，这是因为加热激活了动态共价键发生键交换反应，使液晶高分子在网状结构内部形成新的拓扑结构。利用这种特性，他们通过反复将材料加热到100℃和冷却到25℃ ，让材料实现了在三维形状与二维形状之间以及不同颜色之间的可逆转换。