胆甾相液晶弹性体（CLCE）可反射特定波长的光，呈现出鲜明的结构色，在传感器、仿生伪装等领域具有重要应用前景。在外力作用下，材料内部螺旋结构发生改变，进而引发颜色变化，这一效应被称为力致变色。但传统 CLCE 存在结构性局限：液晶分子呈螺旋排列，宏观上各向取向被平均化，材料整体表现为力学各向同性。这意味着传统 CLCE 虽可随外力变色，却难以像向列相液晶弹性体一样，通过预设分子排列方向，借助热致相变、软弹性等机制，实现复杂且可控的形变。因此，在保留力致变色能力的同时，赋予材料可编程形变功能，是该领域亟待解决的核心挑战。

  为此，清华大学化学系杨忠强课题组联合北京大学冯帆和剑桥大学John S. Biggins，开发出基于动态共价键与机械力/压力诱导取向的可编程CLCE空心纤维。通过精准调控分子在轴向、环向或扭转方向的排列，该纤维在充气作用下可实现膨胀、收缩、伸长、扭转等多种复杂形变，且同步产生结构色变化。研究团队建立了基于非理想新经典液晶弹性体能量的膜气球模型，成功捕捉到材料响应中的非单调性与亚临界性等关键力学特征。该工作为多响应CLCE的研究提供了全新范式，有望推动CLCE作为先进刺激响应材料，在柔性器件、智能驱动、自适应系统等领域的应用与发展。

  2026年3月27日，以上研究成果以《Programmable multimodal actuation in cholesteric liquid crystal elastomer hollow fibers beyond mechanochromism》为题，发表在Nature Communications上。清华大学化学系博士生马佳哲为第一作者，清华大学杨忠强，北京大学冯帆和剑桥大学John S. Biggins为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金和清华大学笃实基金等的资助。

图1 CLCE空心纤维的形态及工作原理

图2 多畴CLCE空心纤维气动响应性能表征

  多畴 CLCE 空心纤维在气动驱动下可同步发生形变与颜色变化，变化幅度可通过气压精准调控。实验中，纤维产生约17% 的轴向应变、79% 的径向膨胀，以及223 nm 的反射波长蓝移。理论模型成功复现实验中关键的非单调行为：纤维先缩短后伸长，该现象源于应力作用下液晶指向子的环向旋转。模型揭示了非单调小幅度长度变化、单调大幅度直径变化、大幅度单调波长蓝移等核心特征。

图3 轴向取向CLCE空心纤维气动响应性能表征

  含动态B-O键的CLCE体系具备优异的动态键交换能力。通过对多畴空心纤维进行热激活编程，可制备出轴向取向CLCE空心纤维。依托力学各向异性与软弹性特性，该纤维在气动驱动下，液晶基元由轴向排列旋转为环向排列，实现约50%的轴向收缩、165%的径向膨胀，以及176 nm的反射波长蓝移。材料呈现独特的“平台—跳跃”响应特征：临界气压前形变微弱，达到阈值后瞬间发生大幅收缩。该机制为阈值型光学传感器、多级软执行器等器件设计提供了新思路。

图4 环向取向CLCE空心纤维气动响应性能表征

  通过充气施加外力的方法能够成功诱导环向取向的CLCE中空纤维，且这一取向状态可通过动态B-O键的热交换反应固定。环向取向的CLCE中空纤维对气动驱动表现出稳定的响应：在200 kPa气压下，纤维实现了约14%的轴向伸长、25%的径向膨胀以及158 nm的反射波长蓝移。值得注意的是，这类纤维在小应变范围内即可实现大幅波长偏移，同时兼具伸长与膨胀的双重形变特征。这一特性使其在应变传感器、信息显示等领域展现出巨大的应用潜力。

图5 加捻CLCE空心纤维气动响应性能表征

  依托动态共价键设计，可制备结构可控的加捻CLCE空心纤维。在气动驱动下，液晶基元的扭转取向使纤维同时产生长度收缩与扭转变形。以18° mm?1左旋加捻样品为例，当气压从0增至60 kPa时，纤维发生逆时针扭转，最大扭转角度达163°；当气压达到80 kPa时，纤维发生旋转反向，顺时针旋转约330°至+167°；继续增压至140 kPa时，最大顺时针扭转角度达185°。纤维在80 kPa临界压力处发生显著的轴向收缩，最大收缩率约为48%。与此同时，气动驱动过程伴随着结构色的蓝移，呈现形状与颜色的双重响应。这种扭转排列的CLCE中空纤维极大丰富了CLCE纤维作为驱动单元的形变模式，进一步拓展了CLCE作为刺激响应材料的应用场景。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71050-6