液晶与显示|基于可编辑颜色和形状记忆液晶网络信息存储材料

液晶聚合物网络材料在人工肌肉、软体机器人、微流控制器和4D打印材料等智能软器件领域具有很好的应用前景。液晶网络在化学结构上同时包含聚合物交联网络和液晶基元，在性能上同时具备聚合物的可加工性、化学稳定性和力学特性以及液晶可调的各向异性，因此具有外观易编辑、功能可调、对多种刺激都能响应等优点。利用这些特点，可以将指定的形状或颜色信息精确地写入到材料中，同时在特定外界刺激（光，热，电场，溶剂等）下使信息再次显现，实现信息的存储、加密与读取。

近日，东南大学智能材料研究院黄帅副研究员与李全院士合作以“基于可编辑颜色和形状记忆液晶网络的信息存储材料”为题在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录、中文核心期刊）2023年第1期发表文章。文章论述了具有可编辑颜色和形状记忆性质的液晶网络材料在信息存储中的作用机制，重点讨论了液晶网络材料在伪装、多级信息存储与信息传递等方面的应用研究进展。

▍形状可编辑的液晶网络体系

具有取向的液晶网络发生液晶相向各向同性相变转变时，会在局部区域产生体积变化，带动材料产生宏观运动（图1）。通过不同的取向模式设计，能够实现螺旋卷曲、弯曲、折叠等多种模式的形变。当液晶取向恢复到预设的初始状态时，材料形状也发生回复。通过引入光敏组分能够实现光控形变。典型的是含有偶氮苯衍生物的液晶网络在紫外光或可见光控制下的运动。液晶网络可精确操作的形变特性同样可以应用于伪装和信息存储等领域。其基本实现路径是通过调控液晶网络内部化学组成、液晶相结构、分子取向等，来预设指定的形状作为被记录的信息。在加工过程中改变材料外观后将临时形状固定下来。而预设的形状只有在特定外界刺激下材料才会显示，实现信息的读取。（图2）

图1：液晶单体交联形成液晶网络以及通过液晶相变带动宏观形变机理示意图
图源：液晶与显示，2023,38(1): 49-59. Fig.1

图2：基于含α-氰基苯乙烯基元液晶聚合物的信息存储材料
图源： Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7(5): 2002-2008.

▍颜色可编辑的液晶网络体系

胆甾相液晶是一类典型的具有可调结构色的智能材料。其分子指向矢按照一定方向沿轴旋转形成螺旋结构，具有对光的选择性反射特性。当螺距在可见光波长量级时，胆甾相液晶能够选择性地反射有色光。因此在反射器、偏振器、传感和成像等方面得到了广泛的应用。将胆甾相引入到聚合物网络中，选择性反射、自组装等特殊的性质与聚合物网络的稳定性、耐溶剂性等相结合。因此，胆甾相液晶网络在制备多样化的具备特殊光学性质和可编辑图案的器件方面可以得到很好的应用。例如，利用手性光子材料对偏振光的选择性能够制备一种偏振光控制的涂层。如图3所示，在非偏振光照射下，三叶草图案和周围区域之间可以看到轻微的色差，在左旋圆偏振光下，三叶草呈橙色可见而周围仍呈绿色。在右旋圆偏振光下，三叶草呈绿色，其他区域是黑色。使用线偏振光（0°）时，三叶草呈橙色，而周围区域是绿色。使用线偏振光（90°）时，三叶草呈绿色，而其他区域也呈绿色。

图3：基于手性光子材料的与偏振光相关的图像
图源： Advanced Materials, 2019, 31(33): 1903120.

除了利用胆甾相液晶构造结构色以外，借助纳米压印和光刻手段也能够在液晶聚合物中实现可调控的结构色。Yu等人制作了一种偶氮液晶聚合物，在紫外光照射前后其分别拥有远高于室温和低于室温的玻璃化转变温度。利用这种特性开发了一种新的微纳图案加工方法。如图4所示，首先将偶氮液晶聚合物薄膜涂覆在柔性基板上，然后通过非热纳米压印与光刻相结合构造了多个规整的微纳结构，从而呈现出与角度相关的彩色图像。该非热纳米压印和光刻技术的结合具有良好的压印质量和高分辨率的优点。

图4：非热纳米压印与光刻技术制备的纳米图案
图源： Angewandte Chemie International Edition, 2020, 59(10): 4035-4042.

▍形变与颜色协同编辑的液晶网络体系

液晶网络的形变模式和颜色变化可以被协同控制，实现多维度的信息存储。该方式结合了形变和颜色图案化存储的优势，有利于提高信息的存储量。Li等人将末端功能化的四苯基乙烯衍生物和光致变色螺吡喃基团共价交联液晶网络中，利用液晶取向和光敏基团的可操纵和可编辑性成功模拟了褶皱颈蜥蜴折叠其褶边并同时变色的生物行为（图5）。此外，借助荧光基团在紫外/可见光照射下发生可逆的光异构化，可以实现荧光图案可逆地光写入和光擦除。键合进液晶网络后，材料的形变模式也可以用光进行编辑，并通过温度来控制。于是材料中写入的数据可以通过光控和温控的结合逐步读取，并实现多维信息存储。这些工作为开发可在复杂环境下进行伪装、信息存储和传递的智能化器件提供了灵感。

图5：基于四苯基乙烯衍生物和光致变色螺吡喃分子开发的可协同变形和荧光变色的液晶驱动器
图源： Angewandte Chemie International Edition, 2021, 60(20): 11247-11251.

▍总结

本论文总结了可编辑的变色和形状记忆液晶网络材料在信息存储方面的研究进展。分别介绍了形状记忆液晶网络材料的多形变模式的作用机制以及信息存储方式、具有可调结构色或荧光的液晶网络在可擦写智能软器件的应用以及形状颜色可协同调控的液晶网络在伪装、多级信息存储与传递的应用。希望能够为新型多维度存储器件的开发提供一些启发。目前研究者已经开发出了多种可以应用于伪装、信息存储的液晶网络材料，然而这一领域仍然面临很多挑战。例如，颜色变化不够丰富、聚合物网络难以重复加工、多形变模式的分辨率较低等。因此，设计和引入更多的功能基团，如光敏染料、动态化学键等，开发可精确、高分辨操控、可重复编辑的液晶聚合物网络体系会进一步拓展其应用前景。

| 论文信息 |

黄银亮, 孙俊杰, 黄帅, 李全. 基于可编辑颜色和形状记忆液晶网络的信息存储材料[J]. 液晶与显示, 2023, 38(1)：49-59.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0023

| 通讯作者介绍 |

黄帅，东南大学化学化工学院副研究员，东南大学至善青年学者。2019年博士毕业于北京大学材料科学与工程系。从事液晶超分子、液晶微纳结构组装和调控以及基于功能液晶聚合物的智能材料与器件研究。目前已在 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际权威期刊发表学术论文30余篇，主持国家自然科学基金与江苏省自然科学基金项目，担任 Angew. Chem. Int. Ed.、Light: Science & Applications等学术期刊审稿专家。
E-mail: huangshuai1991@seu.edu.cn

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