近日，宾夕法尼亚大学Shu Yang（杨澍）教授团队在材料科学顶刊《Advanced Materials》发表了以“Multi-Mode Mechanochromic Responses from Cholesteric Liquid Crystal Elastomer Tubes of Uniform Sheath“为题的最新研究成果（Adv. Mater.2025, 2504461）：开发了一种亚毫米尺度的胆甾相液晶弹性体（CLCE）空心微管，实现了对不同模式机械刺激的多模式力致变色响应。这种材料不仅具有显著的颜色变化灵敏度，还可灵活适用于软机器人、自适应显示器、穿戴式传感器和小型光谱仪。本文通讯作者为Shu Yang（杨澍）教授，共同第一作者为Jong Bin Kim（???）和Shangsong Li（李尚松）。

  结构色是通过材料表面特定周期性微观结构对光的干涉、衍射或散射作用产生的颜色，不依赖于色素或染料。近年来，能够对外界刺激（如力、热、湿度）产生快速颜色变化的结构色材料逐渐受到科研界和工业界的关注。然而，传统的力致变色材料通常限于薄膜或纤维形式，表现出有限的响应模式。为解决这一限制，宾夕法尼亚大学材料科学与工程系的研究人员利用胆甾相液晶弹性体（CLCE）研发出一种创新性的亚毫米级均匀空心微管（图1）。

图1：力致变色CLCE微管。a）CLCE微管的制备示意图（第一行），对应的反射光学显微镜（OM）图像（第二行），以及偏振光学显微镜（POM）图像（第三行）。I：填充CLCE前驱体30分钟后；II：I状态下立即注入空气后；III：II状态后1分钟；b）图a所示三个状态下CLCE微管的反射光谱；c）弹性通道中注入空气的横截面示意图；d）CLCE微管的横截面OM图像（i）和扫描电子显微镜（SEM）图像（ii）。

  研究团队创新性地利用剪切作用，在弹性微通道内将高黏度CLCE前驱体塑造成均匀的管壁结构，克服了重力和不稳定性的干扰。与传统的固体纤维相比，该微管表现出更快速、更高反射率的色彩响应。这种CLCE微管能够在拉伸与充气条件下产生轴向、周向和径向的多维度应变，呈现出高度灵敏的变色效果。

  研究团队展示了通过将五根CLCE微管进行不同的排列组合，并结合拉伸、充气、弯曲等多种力致变色响应模态，实现了对全部26个英文字母的结构色显示（图2）。这一系统利用了CLCE微管在多维应变下色彩变化的可控性，使得每个字母都能通过精确调控变形状态而呈现出不同颜色，为可重构的反射式光学显示提供了新的思路。

图2：可重构的结构色字母反射显示装置。a）由五根CLCE微管构成的字母显示系统的示意图，其结构可通过插针与进气口的移动进行重构；b）照片展示了系统的不同状态：i）初始状态，显示近红外颜色；ii）通过单一充气实现的单色“A”字母；iii）通过充气实现的多色“A”；iv）通过充气与拉伸组合实现的“M”；v）通过进气口移动与充气组合实现的“X”；vi）通过弯曲（插针移动）与充气组合实现的“P”；c）照片展示了通过图a所示四种颜色调控方式组合生成的其余字母。

  此外，将这种微管缠绕在不同曲率的3D物体表面上，能够形成对环境曲率变化高度敏感的三维光子皮肤（图3）。微管在不同弯曲状态下表现出不同程度的预应变和变色灵敏度，使得整个系统在充气或形变过程中展现出全方位可见、区域可编程的结构色分布。这一特性不仅展示了材料在光学显示方面的灵活性，也为可穿戴设备和复杂形状界面的智能感知与反馈提供了新可能，从而进一步扩展了这种新型材料的应用潜力。

图3：力致变色的三维光子皮肤。a）CLCE微管缠绕在三维物体上的示意图，展示其可实现全方位可见的结构色；b, c）微管在充气状态下分别处于低曲率（b）和高曲率（c）时的弯曲形态示意图；d）一个3D打印圆锥体，自上视角和侧视角观察其在不同充气压力下，缠绕的红色CLCE微管所产生的颜色变化；e）一个3D打印圆柱体，缠绕有三根绿色光子微管（编号为1、2、3），通过选择性充气实现多重信号显示；f）一个3D打印花瓶，在充气过程中红色CLCE微管被粘附固定于瓶身，不同部位的曲率造成颜色响应差异。

  本研究的优势在于通过单一材料即可实现多模式响应，不仅降低了制造复杂性和成本，还提高了结构色材料在实际应用中的灵活性和适应性。该研究通过理论分析和实验验证，深入探讨了材料各向异性与结构设计之间的内在关系，提出了新型的结构色材料设计理念，并成功实现了多模式高灵敏力致变色的突破性进展。

  宾夕法尼亚大学杨澍团队的这项研究成果开辟了结构色材料应用的新领域，展示了液晶弹性体微管在智能化、多功能传感和显示技术中的巨大潜力。

  论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202504461?af=R