摘要: 液晶作为一种典型的软物质材料，既具有液体的流动性，又具有晶体的有序性，表现出极其丰富的自组装结构和独特的物理化学性质。利用液晶分子设计加工的液晶功能材料不仅具有液晶分子的光学特性，还可以对外界环境刺激做出响应，例如光照、温度、应力... 展开 液晶作为一种典型的软物质材料，既具有液体的流动性，又具有晶体的有序性，表现出极其丰富的自组装结构和独特的物理化学性质。利用液晶分子设计加工的液晶功能材料不仅具有液晶分子的光学特性，还可以对外界环境刺激做出响应，例如光照、温度、应力、电场和磁场。尽管液晶功能材料广泛应用于液晶显示，但为获得液晶的有序取向，在传统液晶功能材料加工过程中依靠外部取向层对液晶材料进行取向诱导的方法仍存在较多不足，例如杂质、静电累积和厚度不均，最终导致液晶功能材料性质不均匀。然而，这些不足可以通过在微液滴中进行液晶分子取向而避免。液晶分子以微液滴的形式分散在聚合物中，在表面活性剂的诱导下进行取向。该方法制备条件温和，取向层均匀，从而可以对液晶的取向进行高效诱导。而且，通过更换表面活性剂种类，可以实现对液晶不同自组装结构的调控。因此，在控制液滴位置的微流控-3D打印技术协同下，液晶微液滴将作为功能基元在光学功能材料的制备中起到核心作用。 本文以液晶微液滴作为功能基元，结合微流控-3D打印技术，通过精准地操纵液滴在空间的尺寸、成份和三维序列，实现了微液滴的电场响应、温度响应、应力响应和光照响应。并且进一步设计和制备了多种智能响应体系，其在软体机器人、智能传感器和仿生系统等领域具有潜在应用价值。主要研究内容和取得的创新成果如下： （1）探究了扁椭球形向列相液晶微液滴的电光响应，不同于球形的双极结构液晶微液滴，扁椭球形的双极结构液晶微液滴在电场的作用下表现出独特的电场响应特性。其双极轴在阈值电场移除之后不会恢复到初始的低能量水平取向状态，可以始终保持在沿电场方向排列的局部最低能量状态。利用扁椭球形双极结构液晶微液滴的稳定电场响应特性，设计双稳态电场响应的液晶微液滴分散聚合物薄膜，有望解决传统液晶微液滴分散聚合物薄膜高能耗、不稳定的缺点。 （2）探究了液晶/水界面上液晶分子和两亲性磷脂分子之间的相互作用。实验中观察到在近晶相形核增长的过程中液晶/水界面上出现了磷脂分子高密度局部富集的现象，通过探究影响磷脂分子密度、界面张力和近晶相液晶分子取向之间的关系，发现在氯仿蒸发过程中液晶分子直接从无序相相变，形核增长形成近晶相。磷脂分子在近晶相分子取向的诱导下从液体膨胀相转变为液体压缩相，界面上产生较大的界面张力，因此会产生局部高密度富集。 （3）受到章鱼收缩或拉伸色素细胞改变自身颜色实现伪装效果的启发，我们利用扁椭球形胆甾相液晶微液滴模拟章鱼色素细胞，将其分散在聚合物中，由于胆甾相液晶微液滴的周期性螺旋结构，当其螺距与可见光的波长相匹配时，会对可见光产生选择性布拉格反射，呈现出宏观结构色。结合3D打印技术，设计基于扁椭球形胆甾相液晶微液滴的仿生系统，其颜色可以通过调控手性掺杂剂浓度或温度来实现。将扁椭球形胆甾相液晶微液滴仿生系统加热到无序相时，其对可见光的散射作用变为透射作用，不透明的结构色仿生系统转变为无色透明状态。同时，由于扁椭球形无序相的胆甾相液晶微液滴趋向于转变为球形，因此，沿着薄膜所在平面会发生体积收缩和垂直膜方向发生体积膨胀。内应变与胆甾相液晶微液滴的重力梯度分布相结合，可以实现3D打印仿生系统的形状-颜色协同响应，为开发新型功能材料和智能设备提供新思路。 （4）利用双轴拉伸机械应力作用，实现了胆甾相液晶微液滴分散的卡波姆薄膜系统在散射主导的不透明白色与选择性布拉格反射主导的结构色之间的可逆转换。并将胆甾相液晶微液滴分散在海藻酸钠水溶液中，利用氯化钙溶液实现原位交联，制备出分散胆甾相液晶微液滴的海藻酸钙水凝胶三维交联网络，结合海藻酸钙水凝胶的可逆吸水与脱水过程，实现胆甾相液晶微液滴分散的海藻酸钙水凝胶系统的可逆结构色，结合3D打印技术，设计胆甾相液晶微液滴分散的海藻酸钙水凝胶智能传感器。 （5）以液晶微液滴为功能基元，通过微流控3D打印技术调控微液滴的尺寸、成份和三维序列。将微液滴功能基元嵌入在弹性体材料中，设计了一系列功能材料。并利用不同微液滴的特性，实现了微液滴功能基元的复合弹性体材料的温度、溶剂和光照诱导形变。探究基于微液滴功能基元弹性体材料的仿生特性，设计基于微液滴功能基元的软体机器人和功能材料，并进一步拓展了微流控-3D打印技术精准操纵微液滴在设计功能材料领域的应用。 综上，本文以液晶微液滴为功能基元，结合微流控-3D打印技术，设计多种环境响应型功能材料，为液晶微液滴在多功能智能器件的开发和应用奠定了基础。 收起