Механохромные холестерические жидкокристаллические устройства для обнаружения механического напряжения

Наблюдение за трещинами с помощью цвета

Мосты, туннели и здания с возрастом и под действием больших нагрузок постепенно развивают микротрещины. Важно заметить, когда эти трещины начинают опасно раскрываться, но сегодня для этого часто требуются энергоёмкая электроника или трудоёмкие осмотры. В этой работе исследуется другая идея: мягкие, цветные материалы, которые меняют отражаемый цвет при растяжении или сжатии, превращая невидимое напряжение в бетоне в легко различимый цветовой сигнал.

Мягкое вещество, действующее как сигнальная лампа

Традиционный мониторинг конструкций опирается на жёсткие датчики и кабели, монтаж и обслуживание которых могут быть дорогими. В отличие от этого мягкие материалы, такие как полимеры и гели, могут гнуться, растягиваться и реагировать на окружающую среду более тонкими способами. Среди них жидкие кристаллы — наиболее известные по плоским дисплеям — особенно перспективны, потому что сочетают текучесть жидкости с упорядоченной структурой твёрдого тела. Некоторые жидкие кристаллы, называемые холестерическими, самоорганизуются в микроскопическую спиральную структуру, которая отражает только определённые цвета света, по сути действуя как встроенное настраиваемое зеркало.

Как крошечная спираль создаёт цвет

В холестерическом жидком кристалле молекулы поворачиваются в регулярную спираль. Расстояние, за которое спираль совершает один полный виток, называется шагом, и именно шаг определяет, какой цвет света будет отражаться. Более длинный шаг отражает более красный свет; более короткий шаг — более синий. Поскольку шаг реагирует на изменения температуры, электрического поля и, что особенно важно для этой работы, на механическую деформацию, такие материалы могут служить «структурными цветовыми» датчиками. Когда материал сжимают или растягивают так, что спираль уплотняется, отражённый цвет смещается в синюю сторону; при расслаблении он возвращается к красному.

Создание цветоизменяющих шариков для бетона

Исследователи создали крошечные трёхмерные шарики из эластомерной версии холестерического жидкого кристалла, называемой холестерическим жидкокристаллическим эластомером. Сначала был приготовлен жидкий предшественник, который можно было сшить в упругий твёрдый материал, затем капли формировали, позволяя жидкости падать по одной в ванну с силиконовым маслом. По мере медленного испарения растворителя капли затвердевали в полу-сферические шарики с нужной внутренней спиральной структурой. Было опробовано несколько методов перемешивания для контроля размера и формы шариков, но, что удивительно, самый простой способ — позволить каплям падать свободно без перемешивания — дал наиболее однородные шарики и самый чёткий, равномерный цветоизменяющий отклик.

Превращение шариков в практические датчики деформации

Чтобы превратить эти цветные шарики в практические устройства, отдельные шарики внедряли в тонкие слои обычного силиконового каучука (PDMS), похожего на прозрачные герметики, уже используемые в инженерии. Команда регулировала жёсткость силикона, меняя соотношение базового полимера и отвердителя, затем растягивала силиконовые полоски, одновременно наблюдая за изменением отражённого цвета шарика. Свободно лежащие шарики, прижатые непосредственно, демонстрировали выраженное смещение от красного к синему по мере увеличения давления, показывая, что внутренняя спираль сжимается, как задумано. При внедрении в силикон шарики по‑прежнему меняли цвет при растяжении, но сила и чёткость сигнала сильно зависели от того, насколько твёрдым был силиконовый слой и сколько постороннего света он пропускал.

Что показывают сдвиги цвета

Для самых жёстких образцов силикона внедрённые шарики демонстрировали явное и воспроизводимое смещение цвета в сторону более коротких длин волн при растяжении полоски, что соответствует данным предыдущих исследований по похожим материалам. Цветовые изменения сохранялись в широком диапазоне деформаций — примерно до 170 процентов удлинения — до разрыва образцов, что указывает на способность системы фиксировать большие деформации. Однако более мягкие или прозрачные силиконовые слои часто пропускали столько фонового света, что сигнатурный цвет шарика становился труднее различим, особенно при больших деформациях. Это подчёркивает, насколько важна матрица окружения для передачи механических сил и сохранения чистого оптического сигнала.

Простая, не требующая питания система визуализации напряжений в конструкциях

В целом работа показывает, что шарики из холестерического жидкокристаллического эластомера могут выступать в роли компактных, полностью оптических датчиков деформации, которые можно приклеивать непосредственно на поверхности бетона. Когда трещина раскрывается или расширяется, локальная деформация растянет или сожмёт полосу с шариками, вызывая видимое и обратимое смещение цвета в значительной части видимого спектра. Поскольку такие устройства не требуют проводов, электроники или источника питания, они могут предложить недорогой и лёгкий для чтения способ определить, где трещины растут и с какой скоростью. В будущих работах будет уделяться внимание сочетанию шариков с более жёсткими, прозрачными матрицами-хозяевами, чтобы сделать цветовую реакцию ещё более чувствительной к небольшим, ранним деформациям и повысить шансы обнаружить структурные проблемы до того, как они станут критическими.

Цитирование: Sousa, F., Santos, J., Malta, J.F. et al. Mechanochromic cholesteric liquid crystal devices for mechanical strain detection. Sci Rep 16, 6298 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37723-4

Ключевые слова: датчики на жидких кристаллах, механохромные материалы, мониторинг состояния конструкций, обнаружение трещин в бетоне, умные мягкие материалы