传统色彩打印高度依赖化学染料或有机溶剂，面临环境污染与资源消耗挑战。仿生结构色为无墨绿色打印提供了理想路径，但如何在单一均质膜层上高效实现高分辨率、可逆且全可见光谱覆盖的动态图案化，仍是巨大难题。胆甾相液晶（CLC）作为典型的一维光子晶体，其周期性螺旋超结构能够产生选择性布拉格反射。利用溶胀力调控其螺距，属于等温热力学平衡过程，具有超高可逆性且无热老化。纯水因无毒、环保，被视为最理想的驱动介质。然而，现有湿度响应胆甾相液晶网络（HCLCN）成膜后调控自由度极低，难以在单一基底上实现单刺激下的差异化多色响应；传统光刻或局部化学改性又易破坏液晶取向完整性。如何实现“大面积标准化基材制备”与“终端个性化信息写入”的完全解耦，并在无损初始结构的前提下构筑局域弹性约束场，是推动响应性液晶光子材料走向实用化的核心瓶颈。

  2026年9月8日，北京大学杨槐教授与北京科技大学胡威研究员团队在《Advanced Materials》发表了题为“Laser-Printing of Dynamic Colorful-Patterns Activated by Pure-Water”的最新成果。北京科技大学新材料技术研究院2024级博士生刘家乐为该工作的第一作者，北京科技大学胡威研究员和北京大学杨槐教授为此工作的通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助。

  该研究报道了一种基于激光直写（LDW）正交编程胆甾相液晶网络（CLCNs）的可规模化绿色打印策略。体系利用蒽的光致二聚反应预设交联密度梯度，构建局域“弹性约束场”，仅以纯水作为物理膨胀驱动源，即可在单一薄膜上激发出覆盖全可见光谱的动态结构色，成功应用于高分辨率图案显示、多模态防伪加密及智能建筑变色窗口。

1. 制造与编码解耦：纯水驱动的“光子打印纸”

  该团队提出了一种基底制造与个性化编码完全解耦的生态架构。首先通过辊涂与450 nm光聚合将液晶单体、手性剂与光敏蒽衍生物（An-M?）等交联固化，经温和碱液处理将内部氢键羧酸转化为高吸湿性羧酸盐，获得初始状态在紫外区反射、宏观无色透明的标准化柔性“空白光子纸”。

  终端用户仅需利用常规低功率355 nm激光直写仪进行数字化曝光，通过蒽侧基原位发生的 [4+4] 光致环加成反应在局部网络引入额外共价交联点。在水分接触或高湿驱动下，不同区域发生差异化各向异性溶胀，绚丽多色图案随之浮现；水分挥发后图案无痕隐形。整个“写-显-擦”循环完全由物理溶胀驱动，零化学废液生成，具备出色的可逆重写特性。

图1 光子纸解耦制造流程、纯水激活/擦除机制及全可见光谱多色图案演变

2. 正交激光编程机制：局域“弹性约束场”精准控色

  该技术的结构色编程机制源自水分子渗透化学势与高分子网络熵弹性回复力之间的热力学平衡。在未曝光或低能量区，网络交联度低、链段活动度大，吸湿后螺旋螺距大幅伸长），反射色红移至红光区；而在高能量激光照射区，高密度的蒽二聚体构建了强力“弹性约束场”，有效抑制水分子溶胀，保持在蓝光区。 通过程序化调控激光功率（P）与扫描速度（v），可实现交联度在0%-100%范围内精细分级，在90% RH高湿下获得覆盖红到蓝全可见光谱的“光子调色板”。 纳米压痕测试表明，二聚化使薄膜弹性模量从0.12 GPa提升至0.37 GPa，玻璃化转变温度由 -9.89 °C上升到 13.72 °C。截面SEM证明355 nm激光写入仅作用于侧基交联，初始由450 nm光锁定的螺旋层状结构完好无损。材料历经100次吸湿-脱附循环后反射光谱高度一致，浸水24小时后依然具备优异的机械完整性。

图2 网络设计与湿度响应结构色演变

3. 多模态显示与微观形貌协同调控

  激光直写赋予该光子纸高达317 DPI的高分辨率（超越人眼极限），呈现出丰富的光学与物理协同效应。以传统中国水墨画《竹石图》为例，薄膜在高湿下呈现高保真结构色，在365 nm紫外光激发下因蒽二聚体发射明亮蓝色荧光，形成结构色-荧光协同双模显示。同时，图案在右旋圆偏振片（RCP）下清晰可辨，在左旋圆偏振片（LCP）下完全消失，提供了独特的左/右旋手性光学加密屏障。 3D光学轮廓仪分析证实，差异化溶胀应变主要沿垂直厚度方向释放，形成周期性三维微纳浮雕，实现了图案与表面形貌的精准协同。

图3《竹石图》双模态显示与及3D微浮雕

4. 高阶时空加密与宏观智能应用拓展

  团队利用不同区域对湿度的响应速率差，构建了时空动态加密系统。例如随着湿度由低到高阶梯演变，数字图案动态跳变，在特定湿度窗口方能显现真实信息（如由“HIJG”假信息跃迁为“BEEF”真信息）。基于该原理的自适应二维码在低湿或高湿下呈现低对比度伪装，仅在最佳识别窗口期可被扫描读取，极大提升了公开环境下的信息安全等级。

图4 数字码及QR码的动态加密

  将光子膜集成于微缩建筑模型中作为智能交互窗户，低湿晴天透明透光，高湿雨天自动变色并浮现出“龙凤呈祥”传统纹样，兼具美学艺术与隐私动态遮蔽功能。此外，团队在超过15 cm的大幅面薄膜上高保真打印了笔画繁复的《兰亭集序》书法，室温保存180天后色彩与轮廓依然完好，展现出卓越的大面积工程化潜力与长期耐候性。

图5 智能交互变色建筑视窗及耐候性测试。

  本工作建立了基于激光直写与纯水物理激活的响应型液晶光子材料绿色打印新范式。通过光化学正交二聚精确编程宏观网络弹性，彻底解决了光子晶体标准化制造与个性化编码的内在矛盾，无需复杂化学后处理及有机染料。该策略在高端防伪加密、可重写光子纸及智能自适应建筑视窗等前沿领域具有重要应用价值，为下一代可持续软物质光子器件的产业化落地提供了全新思路。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74949

作者简介：

杨槐教授：北京大学材料科学与工程学院教授、新结构材料研究所所长，教育部"长江学者奖励计划"特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家重点研发计划首席科学家、国家自然科学基金委创新群体负责人、英国皇家化学会会士、国家基金委创新研究群体负责人、中国新材料产业技术创新战略联盟副理事长、科技部“高端功能与智能材料”总体专家组专家，享受国务院政府特殊津贴。

承担国家基金委创新研究群体、重大科研仪器研制项目、国家杰出青年科学基金、自然科学基金重点项目、基金委国际合作交流重点项目，国家重点研发计划、国家"863计划"、国家国际科技合作专项、科技部平板显示重大专项，教育部重点和重大项目、北京市重大科技计划以及校企合作项目等国家级与省部级课题。以第一完成人荣获2014年教育部技术发明奖一等奖、2016年教育部自然科学奖一等奖、2015年国家技术发明二等奖、2020年国家技术发明二等奖、2026年何梁何利科学与技术进步奖、2026年中国材料研究学会科学技术奖、第51届日内瓦发明展评审团特别嘉许金奖（最高奖）。在Nat. Photonics、Nat. Commun.、Adv. Mater.等国际顶级学术期刊上发表SCI论文320余篇，兼任《Liquid Crystals》《Materials Chemistry Frontiers》《Engineering》国际期刊编委，获授权国家发明专利100余项，科研成果丰硕，学术影响力深远。

胡威研究员：九三学社社员，理学博士，北京科技大学研究员，博士生导师。2019年获北京科技大学理学博士学位；后于北京大学材料科学与工程学院从事博士后研究工作；2022年2月入职北京科技大学新材料技术研究院，同年获评为副研究员，博士生导师；2025年7月破格晋升为正高级研究员。目前主要从事高分子复合材料的功能化研究，主要研究方向为：聚合物复合固态电解质、智能响应材料、蓝相液晶材料、液晶材料及液晶与聚合物复合材料、低维纳米材料及其复合材料。以第一或通讯作者在Nat. Photonics、Nat. Comm.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci等国际学术杂志上发表多篇SCI论文，；申请并获授权多项国家发明专利；发表英文专著一部《Functional Auxiliary Materials in Batteries》(ISBN:9783527355297)，由国际出版社Wiley-VCH GmbH出版。

刘家乐：本科毕业于南昌航空大学，现就读于北京科技大学新材料与技术研究院，2024级博士研究生，在胡威研究员的指导下攻读博士学位。研究方向为基于动态化学的智能响应材料的制备与性能研究。目前以第一作者身份在 Nature Communications、Advanced Materials等期刊发表高水平SCI论文3篇，公开国家发明专利3项。