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  纖維素基光子晶體材料是一種新興的材料，在光學和光子學領域具有很大應用潛力。然而，CNC光子晶體材料的發展還面臨一些挑戰。例如，如何實現CNC材料的環境適應性、增強其光學性能、提高材料的穩定性和柔韌性等問題仍需進一步研究和解決。通過將柔性材料與CNC復合并衍生出一系列柔韌性強的光子材料是目前該研究領域的一大研究熱點。

  鑒于此，廣西大學王雙飛院士團隊系統的回顧了有關設計和制備柔性CNC手性向列膜材料的最新進展，討論了用于提高CNC柔韌性的主要工藝和方法，詳細介紹了這些方法的原理和優勢，并討論了它們對CNC材料柔韌性的影響。此外，還討論了柔性CNC光子材料未來的挑戰和發展方向。該綜述以題為“Recent Advances in Flexible CNC-Based Chiral Nematic Film Materials”發表在期刊《Small》上。

文章要點：

  在這篇綜述中，作者系統地總結了柔性CNC基手性向列薄膜材料（FCNM）的最新進展，包括四種具有柔性的添加劑材料：分子材料、離子液體(IL)/低共熔溶劑(DES)、柔性大分子材料以及納米纖維，還總結了FCNM主要的應用領域，如防偽、信息檢測、智能響應材料和傳感器等。

圖1 FCNM制備方式以及應用示意圖

柔性分子

圖2 (a) CNC/Gly復合膜的最大消光波長和螺距與甘油含量呈正相關。(b) 通過改變甘油的添加量，可以改變復合膜的顏色。(c) 添加甘油改變CNC結構顏色的機理。(d) 不同甘油添加量下復合膜的應力-應變曲線。

  小分子增塑劑常引入到CNC中形成FCNM。甘油（Gly）, 山梨醇（S）,檸檬酸（CA）等小分子增塑劑可以簡單地添加到CNC懸浮液中，以提高CNC手性向列膜材料的柔韌性。小分子增塑劑的添加使材料更加柔韌，改善了其機械性能和拉伸性能。同時小分子增塑劑是常見的、成本相對較低的化學品，它們易于獲取且價格相對較低。這使得使用這些增塑劑的FCNM制備成本較低，適用于大規模生產和商業化應用。在生物醫學領域應用時，這些添加劑可以確保材料與生物體的良好相容性，減少對生物組織的損傷。小分子增塑劑在CNC懸浮液中的添加不僅可以改變材料的柔韌性，還可以調節CNC與聚合物基質的界面相互作用，改變材料的表面性質和界面吸附能力。這對于控制材料的潤濕性、黏附性和界面相容性等方面具有重要意義。

離子液體(IL)/低共熔溶劑(DES)

圖3 (a) CNC、HPG、IL(BmimCl)和Anth之間存在的相互作用。 (b) HPG/CNC/IL/Anth復合膜的應力-應變曲線。(c) DES修飾CNC的機理。

  IL和DES有一個非常突出的共同點，那就是它們的類型種類繁多。IL和DES具有廣泛的材料選擇性，這使得它們在CNC柔性領域具有重要意義。未來，研究人員可以繼續研究其他類型的IL和DES，它們在CNC塑化方面的潛力仍有待探索。

柔性大分子材料（天然柔性大分子材料和合成大分子材料）

圖4 (a)柔性CNC/PEG手性向列復合膜的制備機理。(b)不同組分比下四種CNC/PEG復合膜的應力-應變曲線。插圖顯示CNC/PEG復合薄膜的折疊情況。(c)組裝ANH、PEG和CNC，得到柔性手性向列膜。(d)手性向列結構的螺距變化示意圖。

  與小分子增塑劑相比，柔性大分子材料具有較長的分子鏈結構，在空間上更加靈活延展和彎曲。同時柔性大分子材料可以通過溶解在納米晶膠束中，形成均勻的大分子網絡結構。柔性大分子材料具有物理交聯（例如，鏈段間的互相糾纏、分子間的弱鍵交聯等）的特點，這種交聯機制能夠提供額外的力學增強，增加材料的柔韌性和拉伸性能。而小分子增塑劑通常在CNC懸浮液中以溶質的形式存在，并沒有明顯的物理交聯效應。

  總體而言，柔性大分子材料能夠通過其特殊的分子結構、溶解性、物理交聯和調控分子量等特點，為FCNM提供更好的柔韌性。然而，在選擇時需要綜合考慮目標應用、成本效益和制備復雜度等因素，以找到最適合的增強柔韌性的方法。

納米纖維

圖5 (a)采用手性向列相與不規則相交替制備CNC-CNF交替層狀復合膜。(b)不同層數的CNC-CNF復合材料應力-應變曲線。(c)下觀察到的CNC與CNF交替層狀結構示意圖掃描電鏡。(d) CNC-CNF復合膜楊氏模量的直方圖。

  納米纖維具有纖維直徑在納米尺度范圍內的特點，這與傳統的微米級纖維相比具有顯著的尺寸效應。納米纖維的小尺寸使得其具有更大的比表面積和更高的界面能量，使其更容易發生變形，從而提高了材料的柔韌性。此外，納米纖維可以形成高度有序的網絡結構，這種網絡結構能夠有效地分散和傳遞應力。納米纖維之間的相互作用力可以通過網絡結構的調整來改變材料的柔韌性和可變形性。

  納米纖維的提高柔韌性的能力來源于其獨特的結構和特點。然而，納米纖維的應用仍面臨著一些挑戰，例如制備成本較高、生產規模化困難等。因此，在納米纖維的應用中需要綜合考慮材料性能、制備技術和經濟可行性等因素。

柔性FCNM的應用及挑戰

圖6 (a)從不同角度(30°和60°)觀察駕駛證上的光學標簽，車身和車輪之間會有明顯的色差。自制二維碼和熊貓圖案FCNM在(b)自然光和(c)紫外線照射下的光學顯示。(d)手性向列QR碼材料在自然光下的照片。(e)打印方向為0°/90°的水凝膠透光性最小(QR碼顯示黑色)，(f) 45°的水凝膠透光性最大(0°處顯示黑色的部分變成白色)。

  1.FCNM可以用作防偽材料，其獨特的結構和光學特性使得其具有高度復雜且難以復制的光學效果。通過精確控制FCNM的制備過程，可以生成具有特定顏色、圖案和光學效果的材料，可以應用于貨幣、證件、標簽和包裝等領域的防偽應用。

  2.FCNM可以根據環境中的特定物理或化學變化，在可見光、紫外線或紅外光等光譜范圍內實現顏色、形貌或光學性能的可見變化。這使得FCNM可以在信息檢測方面應用，例如用于溫度、濕度、光照等參數的傳感器和指示器。

  3.FCNM具有對外部刺激的響應性，可以通過調節其結構和形貌來實現可逆的形狀變化、體積變化或表面特性的變化。這使得FCNM可以用作智能響應材料，例如用于嵌入式傳感器、可調諧光學器件和自動控制系統等領域。

  4.FCNM可以用于傳感器的制備，用于檢測環境中的物理或化學參數。通過特定的制備過程，可以將FCNM與功能性分子或納米顆粒等復合，以實現對溫度、濕度、氣體濃度、化學物質等的高靈敏度和選擇性檢測。

  盡管FCNM有諸多應用，但是FCNM的制備過程需要精確控制多個參數，包括納米晶膠束的形成、組裝和涂覆等步驟。制備技術的復雜性和工藝要求高，對設備和工藝條件的要求較高，其力學性能、穩定性和耐久性仍需要改進，以滿足應用需求。盡管具有廣泛的應用前景，但將實驗室研究成果轉化為可商業化的產品仍面臨技術、市場和經濟等方面的難題。

  隨著對FCNM的深入研究和技術的不斷發展，相信這些挑戰將逐步得到解決，為FCNM在防偽、信息檢測、智能響應材料和傳感器等領域的應用帶來更廣闊的前景。

  廣西大學輕工與食品工程學院碩士研究生鄒徐洋和薛銳為該工作的共同第一作者，趙輝助理教授為該工作的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金和廣西自然科學基金資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202303778