我们生活在一个多彩的世界，自然界中除了有我们熟知的化学染料色外，还存在一类由周期性结构产生的物理结构色。目前，科学家在许多动物、植物和矿物中发现了这类特殊的颜色，例如蝴蝶翅膀、孔雀羽毛、变色龙的皮肤、甲虫的外壳、植物果实和蛋白石等。我们通常将这类具有结构色的材料称为光子晶体。光子晶体由具有不同介电常数的材料周期性排列而成，它们能够阻止光以特定频率（波长或颜色）向特定方向传播，从而产生光子带隙。因此，光子晶体具有鲜明的结构色，其来源于周期性结构对可见光的选择性布拉格反射。光子晶体的颜色可以通过改变晶体的晶格间距来调节，从而改变反射波长。

　　与传统的染料和颜料相比，光子晶体结构色具有清洁环保、色彩鲜艳、饱和度高、永不褪色、颜色可调等优势，具有重要的实际应用价值。发展结构色图案化技术，对于推动光子晶体材料在艺术装饰、比色传感、新型显示、信息防伪、生物分析等领域的应用至关重要。结构色图案的制备方法主要包括区域选择性蚀刻、冲压、溶胀和掩模辅助曝光等，但这些方法比较耗时，所制备的图案分辨率低。相比之下，结构色打印技术可以实现对纳米结构的定制化设计、精确化控制和高效化制备，在构筑结构色图案方面具有独特的优势。具有自组装晶体有序的胶体纳米粒子是结构色打印中最为广泛应用的结构色墨水材料，但胶体光子纳米结构中经常出现晶格畸变或局部结构裂纹。因此，近年来国内外研究学者致力于开发新型结构色墨水材料用于高通量打印结构色图案。

　　手性液晶材料如胆甾相液晶（Cholesteric Liquid Crystals, CLCs）是一类具有周期性螺旋超结构的智能软光子晶体，不仅选择性地反射不同波长的可见光，还能够灵敏地响应环境刺激（如力、热、点、电、光、磁等），呈现出结构色的动态变化，在军事伪装和新型显示器件等领域都具有广泛的应用前景。在胆甾相液晶中，分子自组装成层状螺旋结构，层内分子沿一定方向平行排列，相邻两层之间的分子旋转一定的角度，形成了具有周期性的螺旋超结构。螺距为分子指向矢沿着螺旋轴旋转360°的长度，是表征胆甾相液晶的重要参数。由于具有独特的周期性的螺旋超结构，胆甾相液晶可以选择性地反射与自身螺旋结构方向相同的圆偏振光。随着液晶材料体系的不断发展，胆甾相液晶可以被制备成不同的形态，如封装在液晶盒中的液晶、液晶微球、液晶聚合物薄膜、液晶纤维、液晶弹性体等。然而，如何实现胆甾相液晶墨水涂层的高通量打印和图案化定制是该领域亟待解决的关键科学问题。

　　近日，天津大学王玲教授、封伟教授团队报道了一种能够在不同基底上高通量、高精度打印手性液晶结构色图案的通用策略。设计合成了一种方便易得、即配即用、可溶液加工的手性液晶墨水，揭示了液晶墨水在打印过程中的动态手性自组装机制；利用墨水直写（DIW）打印技术，成功打印了具有圆偏振反射的彩色光子图案，所打印的图案在外力拉伸下能够实现动态、连续、可逆的颜色变化；将图案进一步打印在可拉伸柔性电子织物上，可实现生物力学的光/电双信号可视化监测。相关成果以“High-Throughput Printing of Customized Structural-Color Graphics with Circularly Polarized Reflection and Mechanochromic Response”为题，发表在国际权威期刊《Matter》上。天津大学材料学院杨言昭副教授为论文第一作者，博士生张璇为论文共同第一作者，天津大学王玲教授和封伟教授为论文通讯作者；中国科学院力学研究所李伟斌教授和张晨博士为液晶墨水自组装动力学研究提供了技术支持。本研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金和天津市自然科学基金等项目的资助。

　　作者将可聚合液晶单体、手性掺杂剂、扩链剂和光引发剂在甲苯溶剂中混合溶解均匀，制备了可直接用于墨水直写打印的透明CLC墨水。通过优化溶剂的质量分数和巯基/丙烯酸酯的摩尔比，探索了既适用于宏观打印，又有利于微观自组装的CLC墨水的配比参数。作者进一步研究了CLC墨水的溶剂挥发诱导自组装过程，具体如下：1）蒸发开始时（5 s），墨水内部产生两对相互反转的涡旋，由于墨水-空气界面处的蒸发速率不均匀，从而形成马兰戈尼对流。2）液晶分子在马兰戈尼对流的作用下移动，并开始在三相接触线处积聚，从而形成咖啡环图案（15 s）。3）液晶的积聚改变了TCL的润湿性，并导致自钉扎效应；随着溶剂挥发，接触角减小马兰戈尼对流减弱，液晶在墨水-空气界面趋于形成均匀排列的螺旋结构，而在墨水内部形成弱螺旋排列（60 s）。4）蒸发结束时（600 s），墨水中仅含有少量溶剂，黏度增高，马兰戈尼对流停止。在溶剂挥发诱导自组装过程中，墨水的结构色亮度逐渐增强，相应地，反射率也逐渐增大。在溶剂持续蒸发的同时，反射峰的中心波长从594 nm逐渐蓝移至546 nm，表明CLC螺旋纳米结构的螺距随溶剂蒸发逐渐减小（图1）。

　　作者进一步研究了打印速度和打印气压对结构色线条宽度的影响规律。所打印的图案颜色亮丽、分辨率高、具有典型的虹彩效应，并且可以打印在玻璃、有机玻璃、金属、硅片、纸张等多种基材上（图2）。作者随后打印了复杂的结构色图案（图3），值得一提的是，图案不仅能选择性地反射红、绿、蓝（RGB）色，还能反射圆偏振光。利用CLC独特的圆偏振结构色，作者打印出绿色仿生甲虫图案，通过右旋偏振片或肉眼观察时，甲虫图案呈现出鲜艳的绿色；然而，在左旋偏振片下观察时，绿色完全消失。现代3D电影技术是基于双目视差的原理，同时放映两个水平方向略微偏移且圆偏振方向相反的图像，结合3D眼镜的分离作用，使每只眼睛只能看到单一旋向的画面，经过大脑的合成从而呈现3D效果。根据上述原理，作者使用两种手性相反的CLC墨水制作了一个圆偏振动画。当通过右旋偏振片观察时，可以看到在绿色背景中有一只黑色小狗在奔跑；相反，当通过左旋偏振片观察时，可以看到在黑色背景中有一只绿色小狗在奔跑。需要说明的是，由于人眼的视觉暂留效应，当转轴快速旋转时，八个静态的小狗图案会串联起来并呈现出奔跑效果。从上述实验效果可以看出，CLC结构色图案在未来3D电影技术的发展和应用中具有很大的潜力。

　　通过将CLC墨水直接打印在可拉伸的黑色弹性薄膜上，可以开发出力致变色的CLC图案（图4）。为了促进结构色图案与弹性薄膜之间形成坚固的界面结合，作者首先使用功能性硅烷偶联剂对弹性薄膜进行表面改性，随后通过光引发的自由基聚合反应，将打印图案通过共价化学键牢固的锚定在弹性基底上。使用红色CLC墨水在经过硅烷偶联剂改性的黑色弹性薄膜上打印出一个“A”图案。当弹性薄膜单轴拉伸时，打印图案的结构色从红色过渡到橙色，经过和绿色，最终变为蓝色。有趣的是，通过改变CLC墨水中扩链剂的含量，可以改变打印图案的交联密度和弹性模量，从而调节打印图案的力致变色响应性能。利用CLC图案弹性模量可调的特点，在单轴应变作用下，单色蝴蝶图案可以转变为多色蝴蝶图案。将图案打印在可拉伸柔性电子织物上，可以实现视觉信号和电信号的多重信号传感（图5）。

　　作者报道了一种在各种目标基材上高通量打印高亮度、高精度的手性结构色图案的方法。通过在甲苯溶剂中混合反应单体，制备了可墨水直写打印的CLC墨水。通过优化溶剂的质量分数和单体的摩尔比，获得了既适用于宏观打印，又能实现微观自组装的CLC墨水参数。首次揭示了CLC墨水的溶剂挥发诱导自组装过程，获得了具有圆偏振反射特性的彩色CLC图案。通过将CLC墨水打印到可拉伸的弹性体薄膜上，制备了力致变色图案。重要的是，力致变色图案可以打印在柔性可拉伸电子织物上，以获得交互式可拉伸电子设备，这种设备可以通过光/电双信号反馈应力刺激，能够作为可穿戴电子设备用于生物力学的可视化监测。这项研究为高通量结构色打印技术提供了全新的思路，并有望应用于可穿戴显示、智能伪装、先进防伪技术、人机交互等众多新兴领域。

　　王玲，天津大学讲席教授，博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家，国家高层次优秀青年人才，天津市杰出青年基金获得者。主要致力于功能性液晶智能材料的设计与制备及其在变色隐身、软体机器人、高速通信、能源和安全等领域的应用研究（）。

　　封伟，天津大学讲席教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才和天津市“杰出人才”，天津市首批“131”创新团队负责人，英国皇家化学会会士（FRSC），日本学术振兴委员会JSPS高访学者，享受国务院政府特殊津贴专家。主要研究方向为功能有机碳复合材料在致密储能和智能热控等领域的应用及产业化技术研究。