《Accounts of Materials Research》：Innovative Applications Enabled by the Versatile Structural Color of Cholesteric Liquid Crystals
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本综述聚焦于胆甾相液晶（CLCs）从流动液体到硬质玻璃或弹性体聚合固化的最新进展，展示了其作为布拉格反射器产生结构色的独特光学性质。文章重点介绍了三种突破性应用：基于胆甾相球形反射体（CSRs）的物理不可克隆功能（PUF）安全认证与隐形信息编码、基于聚合CLC薄膜的彩色太阳能电池（实现高效率伪装），以及基于CLC弹性体（CLCEs）的机械致变色涂层用于结构健康监测（SHM）。这些跨领域的应用证明了这一经典材料在应对当今社会和技术挑战中的巨大潜力与革新价值。
引言
胆甾相液晶（CLCs）因其介观分子能够自组装成周期性的螺旋结构而闻名，这种结构具有布拉格反射特性，能选择性地反射特定波长的可见光，从而产生强烈的结构色。尽管这一现象已被发现超过一个世纪，但近年来，通过将反应性介晶（reactive mesogens）聚合固化并结合先进的液体加工技术（如微流控、3D打印），CLCs已从传统的热致变色传感器，拓展至一系列具有高度社会与工业相关性的创新应用领域。
基于胆甾相球形反射体（CSRs）的安全认证
CLCs可以被加工成具有径向螺旋轴的球形反射体并聚合成硬质玻璃，即胆甾相球形反射体。其独特的光学响应，包括全向选择性布拉格逆向反射，使其成为制造物理不可克隆功能（PUF）的理想材料。通过将不同类型的CSRs随机沉积在物体表面形成独特的“指纹”，结合算法分析其在特定照明条件下的光学响应，可以实现高安全性的物品防伪认证。这一技术已被应用于珠宝、艺术品乃至药品的防伪。
利用CSR光学实现人眼不可见的信息编码
CSRs的另一个重要应用是创造对机器可见、对人眼隐形的图形标记，如基准标记（fiducial markers）或QR码。关键在于利用CSR反射光的圆偏振特性。通过使用左右旋圆偏振滤光片分别拍摄同一场景，然后进行图像相减，可以高效地消除背景，仅凸显出CSR标记，从而为机器人导航和增强现实（AR）设备提供不干扰视觉环境的高对比度引导信号。为了进一步实现隐形，CSR的反射波长可以被设计在近紫外（UV）区域，或使其颜色与环境背景匹配。
利用CSRs实现多功能结构色
结构色通常面临视角依赖性强、无法产生非光谱色（如白色、灰色）的局限。CSRs因其球形和离散的“像素”特性，为解决这些问题提供了可能。通过混合反射红（R）、绿（G）、蓝（B）光的CSRs，可以实现类似RGB显示器的混色效果，生成包括白色在内的多种颜色。然而，由于斜入射反射和光子交叉通信（photonic cross communication）等效应，精确调控表观颜色比传统颜料更为复杂，但通过策略性地调整CSR的反射波长可以实现目标色彩。
聚合的扁平胆甾相液晶薄膜
制造高效彩色太阳能电池
将可聚合的CLC前驱体液涂覆在太阳能电池表面并图案化，可以在几乎不牺牲光电转换效率（可保持90%以上）的前提下，为太阳能电池板赋予颜色。这种方法生成的建筑一体化光伏（BIPV）组件能更好地融入建筑环境（如木质外墙），解决了传统黑色光伏板造成的视觉污染问题。其原理是CLC薄膜仅反射与其螺旋手性相同的圆偏振光，另一半光仍可被电池吸收利用。
利用胆甾相橡胶涂层进行结构健康监测
通过化学交联制成的CLC弹性体（CLCEs）具有显著的机械致变色特性：当薄膜在面内被拉伸时，其厚度减小，导致螺旋节距（pitch，p）同步减小，反射光发生蓝移。这一特性可被用于结构健康监测（SHM）。将CLCE涂层涂覆在混凝土、钢材等结构表面，任何裂纹的产生都会引起涂层局部拉伸和颜色变化，从而实现对裂纹的早期、可视化检测。与昂贵且离散的传统电子传感器相比，这是一种低成本、连续覆盖的监测方案。
胆甾相橡胶纤维
将CLCE加工成纤维形态，可将其机械致变色特性拓展至可穿戴领域。通过模板法或涂覆旋转芯轴等方法，可以制备出圆柱形或带状CLCE纤维。这些纤维可缝入或织入纺织品，用于监测运动、医疗康复或时尚领域中的应变变化。例如，打结过程中的张力变化会直接通过纤维的颜色变化反映出来。
结论与展望
聚合CLC材料通过结合自组装液体的易加工性和固化后的结构稳定性，为安全防伪、隐形编码、可再生能源整合和基础设施监测等关键领域提供了创新的解决方案。未来的挑战主要在于规模化生产、降低成本以及提升材料的长期耐久性。探索使用纤维素、甲壳素等生物衍生材料作为CLC前驱体，有望推动该技术更广泛、更可持续的应用。跨学科的合作与知识交流，是发掘这一经典材料更多颠覆性应用潜力的关键。
