用于机械应变检测的机电致色胆甾液晶器件

用颜色观察裂缝

桥梁、隧道和建筑物随着时间推移并在承载重荷时会逐渐出现细小裂缝。及时发现这些裂缝何时开始危险性增长至关重要，但目前通常需要耗电的电子设备或劳动密集的人工检测。该研究探索了一种不同的思路：利用柔软、多彩的材料在拉伸或压缩时改变反射颜色，将混凝土中难以察觉的应变转化为易于辨认的颜色信号。

像警示灯一样工作的软物质

传统的建筑监测依赖刚性的传感器和电缆，安装和维护成本高。相比之下，聚合物和凝胶等软材料能够弯曲、拉伸并对环境产生微妙响应。其中，液晶——因平板显示器而广为人知——尤其有前景，因为它们兼具液体的流动性和固体的部分有序结构。某些液晶称为胆甾相液晶（cholesteric liquid crystals），它们自然形成微观螺旋排列，只反射特定波长的光，类似于内建且可调的微型镜面。

微小螺旋如何产生颜色

在胆甾相液晶中，分子按规则的螺旋扭曲。螺旋完成一整圈所跨的距离称为螺距（pitch），决定了被反射的光的颜色。较长的螺距反射偏红的光；较短的螺距反射偏蓝的光。由于螺距会对温度、电场以及本研究关注的机械变形作出响应，这些材料可以作为“结构色”传感器。当材料被压缩或拉伸使螺旋收紧时，反射颜色会向蓝端移动；当它放松时，颜色则回移向红端。

为混凝土制造会变色的小珠子

研究人员用一种有弹性的胆甾相液晶弹性体（cholesteric liquid crystal elastomer）制备了微小的三维珠子。他们先制备出可交联成弹性固体的液态前体，然后通过让液滴逐滴落入硅油浴中形成滴状体。随着溶剂缓慢蒸发，液滴凝固为半球形珠子并形成期望的内部螺旋结构。研究中测试了若干搅拌方法以控制珠子的尺寸和形状，但令人意外的是，最简单的方法——让液滴自由下落不搅拌——产生了最均匀的珠子和最清晰、最均匀的变色响应。

将珠子变为实用的应变传感器

为了将这些多彩珠子制成可用器件，单个珠子被嵌入常见硅橡胶（PDMS）薄层中，类似许多工程应用中使用的透明密封材料。团队通过改变基础聚合物与固化剂的比例来调节这种硅橡胶的硬度，然后在拉伸硅胶条的同时监测珠子反射颜色的变化。独立放置的珠子在直接压迫下表现出从红向蓝的显著色移，表明内部螺旋确实如预期那样收紧。嵌入硅胶中的珠子在受拉时仍会变色，但信号的强度和清晰度在很大程度上取决于硅胶层的刚度以及它透射散射光的多少。

颜色变化揭示了什么

对于最硬的硅胶样品，嵌入的珠子在拉伸时表现出向较短波长清晰且可重复的色移，这与早期对类似材料的研究结果一致。颜色变化在很宽的应变范围内持续——在样品断裂前可达到约170%的伸长率——表明该系统可报告大幅变形。然而，更柔软或更透明的硅胶层往往允许过多的背景光通过，导致珠子特征颜色难以区分，尤其在较高应变下更为明显。这突显了包埋基体在传递机械力和保持干净光学信号方面的重要性。

一种简单、无需供电的结构应变可视化方法

总体而言，这项工作表明，胆甾相液晶弹性体珠子可作为紧凑的、纯光学的应变传感器，能够直接粘附在混凝土表面。当裂缝开启或扩大时，局部应变会拉伸或压缩含珠条带，导致可见且可逆的跨可见光谱的颜色变化。由于这些器件不需要电线、电子设备或电源，它们可能提供一种低成本、易读的方式来识别裂缝生长的位置和速度。未来的工作将着重于将珠子与更刚性、透明的承载材料配对，以使颜色响应对小而早期的变形更为敏感，从而提高在问题变得严重前发现结构缺陷的可能性。

引用: 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

关键词: 液晶传感器, 机电致色材料, 结构健康监测, 混凝土裂缝检测, 智能软材料