研究背景

纳米周期介质结构和刺激响应材料所产生的结构色，正成为研究的热点，用以制造各种可调光子器件。特别是手性液晶，通过其自组织的螺旋结构，能够以更简单的方式制备出大规模高质量的结构色，避免了传统纳米制备的复杂性。此外，手性液晶可以通过调节外部刺激来准确地调节螺旋周期长度，从而实现广范围的波长调节。这种能力，加上制备简便和光学性能优越，使得手性液晶成为潜在的可调结构色材料。

迄今为止，大多数关于手性液晶（CLC）的波长调节研究都只考虑了单一方向的波长控制，而忽略了全方向的调节，大都朝着螺旋缠绕波长调节机制较短波长的方向进行。

可伸缩的手性液晶弹性体（CLCE）通过采用反应性介晶分子在弹性骨架内配置CLC来合成。其可直接施加机械拉伸变形，可以有效地在宽带波长范围内调节CLCE的结构颜色。尽管此类机械控制螺旋收缩进行颜色调节的研究较为活跃，但仍存在单向波长控制（向较短波长的蓝移）的情况，阻碍了波长调节范围的最大化。

实现CLCs或CLCEs全向波长调节的关键技术难点在于实现均匀的螺旋展开。CLC结构在平面场下螺旋展开存在不均匀性和脆弱性。在直立情况下进行螺旋拉伸，可实现螺距的收缩，但仅导致结构颜色向较短波长处蓝移。

近日，浦项科技大学Su Seok Choi教授课题组利用可伸缩的CLCE，实现了朝着较长和较短波长方向的全向结构颜色调节。该成果发表在《Light: Science & Applications》，题为“Omnidirectional Color Wavelength Tuning of Stretchable Chiral Liquid Crystal Elastomers”。

研究亮点

1. 建立一种实现面积收缩变形和负向应变的新方法学

传统方法是沿着CLCE螺旋轴垂直的正向应变进行面积拉伸和螺距收缩，而这项研究中采用的收缩性面积变形导致了负向应变，促进了CLCE的螺距扩展。将螺距扩展与结构颜色向更长波长方向的转变之间建立了联系，形成一种新的方法学。

图1. 利用电活性可拉伸CLCE实现全向波长调节的机制示意图

2. 实现双向波长控制的具体实施方法

CLCE被放置在一种特殊的电活性介电弹性体致动器（DEA）上，该致动器具有周围环形排列的顺应性电极配置。这通过电控制实现了结构颜色变化向更长波长的红移。此外，通过将圆形电极放置在DEA的圆形顺应性电极之上以操作同一CLCE，可以建立一个异质配置。在这种配置中，可以在竖立螺旋中引起正向应变，导致结构颜色向更短波长的蓝移。因此，可以同时实现结构颜色的红移和蓝移，实现双向波长控制。

图2. 在收缩模式 DEA 操作下的电-机械变形示意图

3. 单个CLCE器件全向结构颜色的实现

通过采用堆叠的环形和圆形平面顺应性电极的按需扩展和收缩电活性介电弹性体致动器，成功实现了单个CLCE器件中可调的全向结构颜色变化。

4. 全向模式CLCE的优势

本研究结果实现了对可调结构色和可拉伸CLCE进行全向波长控制，克服了先前仅关注单向波长调节控制的研究局限。所提出的全向模式CLCE在两个方向上都表现出稳定的波长可调性，与单向控制的系统相比，可调波长范围显著提高，约为190 nm。

总结展望

DEA在CLCE波长调节中需要较高的电压，但通过增强介电常数、降低DEA材料的切线模量，或通过优化CLCE，如降低其厚度或降低弹性模量，可以缓解这一问题，降低系统的驱动电压，从而实现实际应用。

该工作在各种波长可调光子应用中具有多种潜在创新，如显示器、多波长光学传感器和光子伪装。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01470-w