蓝相液晶反射色材料与器件

由晓龙; 王萌; 杨永刚; 陈寅杰

doi:10.7536/PC20250726

化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (2) :337-351 DOI: 10.7536/PC20250726

综述与评论

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蓝相液晶反射色材料与器件

由晓龙 ¹ ,
王萌 ² ,
杨永刚 ¹^,^* ,
陈寅杰 ¹^,^*

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Blue Phase Liquid Crystal Reflective Materials and Devices

Xiaolong You ¹ ,
Meng Wang ² ,
Yonggang Yang ¹^,^* ,
Yinjie Chen ¹^,^*

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摘要

蓝相液晶（BPLC）作为一种自组装三维光子晶体，其独特的布拉格反射赋予了材料可调的结构色。然而，传统BPLC器件的反射效率和色彩饱和度难以满足前沿应用需求，催生了对“超反射”，即接近理论极限的高反射率与高色纯度的追求。本综述系统梳理并评述了蓝相液晶超反射领域的研究进展。我们剖析了BPLC的微观结构与光子带隙效应，并阐明了其选择性反射的物理机理。在此基础上，归纳了实现超反射的3大核心策略：基于分子工程的材料本征性能优化、基于晶格调控的结构完美化与缺陷抑制，以及基于光学谐振的多层/复合器件设计。我们进一步评述了超反射BPLC在下一代反射式显示、多模态光学防伪、高灵敏度传感、可调谐激光防护及新型光学成像等领域的关键应用突破。最后，本文剖析了该领域在材料稳定性、大面积制备和动态调控范围等方面面临的核心挑战，并对未来发展方向，特别是与智能材料、先进制造技术的交叉融合进行了展望，为推动BPLC光子器件的理论创新与产业化进程提供参考与启示。

Abstract

Blue phase liquid crystals （BPLCs），as self-assembled three-dimensional photonic crystals，exhibit tunable structural colors originating from their distinctive Bragg reflection. However，the reflective efficiency and color saturation of conventional BPLC devices often fall short of the demands of cutting-edge applications，spurring the pursuit of “super-reflection”—a state characterized by near-theoretical-limit reflectivity and high color purity. This review systematically summarizes and critically discusses recent advances in the field of super-reflective BPLCs. We elucidate the microscopic structure of BPLCs，their photonic bandgap effects，and the underlying physical mechanism of selective reflection. Furthermore，we categorize three core strategies for achieving super-reflection：i） optimizing intrinsic material properties via molecular engineering，ii） enhancing structural perfection and defect suppression through lattice control，and iii） designing multi-layer or composite device architectures based on optical resonance. Key application breakthroughs are reviewed，spanning next-generation reflective displays，multi-modal optical anti-counterfeiting，highly sensitive sensing，tunable laser protection，and novel optical imaging. Finally，we analyze the core challenges facing the field，including material stability，large-area fabrication，and the range of dynamic tunability. The review concludes with perspectives on future directions，particularly the convergence of BPLCs with smart materials and advanced manufacturing technologies，aiming to provide insights and inspiration for advancing the theoretical understanding and industrial application of BPLC-based photonic devices.

Contents

1 Introduction

2 Structure and reflection color mechanism of blue phase liquid crystal

2.1 Microstructure and phase behavior of BPLC

2.2 Bragg reflection and photonic bandgap effect

2.3 Key factors affecting reflection characteristics

3 Implementation strategy and quality control of blue phase liquid crystal superreflection

3.1 Material design and optimization

3.2 Structural perfection and defect control

3.3 Multilayer structure and optical resonance design

4 Cutting-edge applications of superreflective BPLC

4.1 Application of blue phase liquid crystal in display technology

4.2 Applications in optical security

4.3 Optical sensing and imaging applications

5 Conclusions

Graphical abstract

关键词

蓝相液晶 / 超反射 / 光子晶体 / 结构色 / 动态调控 / 光学器件

Key words

blue phase liquid crystal / superreflection / photonic crystal / structural color / dynamic control / optical device

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由晓龙, 王萌, 杨永刚, 陈寅杰. 蓝相液晶反射色材料与器件[J]. 化学进展, 2026, 38(2): 337-351 DOI:10.7536/PC20250726

Xiaolong You, Meng Wang, Yonggang Yang, Yinjie Chen. Blue Phase Liquid Crystal Reflective Materials and Devices[J]. Progress in Chemistry, 2026, 38(2): 337-351 DOI:10.7536/PC20250726

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1 引言

蓝相液晶（Blue phase liquid crystal，BPLC）是一种介于胆甾相与各向同性液相之间的特殊液晶相态，其分子自组装形成的三维立方晶格结构赋予了其独特的光子晶体特性^[1-2]。与传统液晶材料不同，BPLC在宏观上表现为光学各向同性，无需取向层即可实现亚毫秒级的电光响应，这使其在高速光电器件领域备受瞩目^[3]。其三维周期性结构通过布拉格衍射对特定波长的光产生选择性反射，形成鲜艳的结构色，为构建新型光子器件提供了理想的材料平台^[4-5]。

尽管BPLC展现出优异的光电性能，但常规单晶畴或多晶薄膜的布拉格反射率通常受限于材料本征双折射率（Δn）、晶格完整性、缺陷散射以及器件厚度等因素，其亮度和色彩饱和度往往难以满足高性能反射式显示、高效光学滤波器及高灵敏度传感器等前沿应用对极致光学性能的严苛要求^[6-7]。因此，如何突破传统BPLC反射性能的瓶颈，实现“超反射”（Super-reflection）——即在特定波长范围内获得远超常规（反射率从典型的约30%~50%提升至>80%，甚至接近100%）、光谱更纯净（半峰宽更窄）、色彩更饱和的光学性能—已成为BPLC研究领域的核心议题与关键挑战^[8-9]。

近年来，研究者们围绕超反射BPLC的实现开展了大量富有成效的工作。近年来，研究者们围绕超反射BPLC的实现开展了大量富有成效的工作，然而，这些研究仍面临一个核心挑战：难以在低驱动电压、高反射率、快速响应和良好稳定性之间实现理想的平衡。例如，通过增强聚合物网络以提升稳定性往往会增大滞后效应和驱动电压；而追求高反射率则常常牺牲器件的响应速度。因此，探索新的材料体系或器件结构，以协同优化这些关键性能参数，是当前领域亟待解决的研究缺。从材料层面，通过优化液晶分子结构和手性掺杂剂，提升了体系的本征光学常数^[10]。从结构层面，通过聚合物稳定化、模板法生长以及多种单晶取向等技术，显著提高了晶格的有序度和完整性，抑制了缺陷散射^[8,11]。在器件层面，多层堆叠、光学谐振腔等创新设计的引入，更是将反射效率推向了新的高度^[12]。这些研究进展极大地丰富了BPLC的光物理内涵，并为其在多个领域的颠覆性应用奠定了坚实基础。

鉴于此，本文旨在对蓝相液晶超反射材料与器件的研究进展进行系统性的梳理与评述。我们将首先深入探讨BPLC的微观结构与反射呈色机理；其次，重点归纳实现超反射的关键策略与品质控制技术；随后，详细介绍超反射BPLC在反射式显示、光学防伪、传感、图案化成像、激光等领域的应用实例与性能优势；最后，总结当前面临的核心挑战，并对未来的发展趋势进行展望，以期为该领域的科研工作者提供有价值的参考与启示。

2 蓝相液晶的结构与反射呈色机理

BPLC的光学特性根植于其独特的、由分子自下而上（Bottom-up）构筑的等级化三维结构^[13-15]。这一结构源于手性向列相液晶中螺旋扭曲与分子堆叠两种能量竞争下的缺陷状态，最终形成热力学上稳定的三维立方晶格^[16]。

2.1 BPLC的微观结构与相态

BPLC的结构基元并非单个液晶分子，而是由其自发形成的双扭柱（Double-twist cylinder，DTC）^[17-18]。在手性环境中，液晶分子倾向于相互扭曲排列以降低系统的弹性能^[19]。然而，在三维空间中，这种扭曲无法无限延伸，为寻求能量最低状态，分子会围绕一个虚拟的中心轴形成半径约为一个螺距的圆柱体，且圆柱体内任意方向上的分子都呈螺旋扭曲状态，这便是双扭柱结构。这些微观的DTC单元如同“结构积木”，在空间中进一步堆叠，形成了宏观上具有长程有序性的三维晶格。值得注意的是，在DTC相互交错的区域，分子的有序排列被破坏，形成了线状的拓扑缺陷——向错线（Disclination lines）。这些错位线并非传统意义上的“瑕疵”，而是构成BPLC稳定晶格的骨架，它们在晶格的中心或棱上形成网络，赋予了BPLC结构上的稳定性（图1a）。根据DTC不同的空间堆积方式和对称性，主要存在两种热力学稳定的蓝相（图1b），分别是体心立方（Body-centered cubic，BCC）的方式排列（空间群I4₁32）的蓝相I（BPI）和简单立方（Simple cubic，SC）的方式排列（空间群P4₂32）的蓝相II（BPII）^[20-21]。此外，还存在一种不具备长程有序性的蓝相III（BPIII），其结构被认为是类似于“蓝雾”的无定形态，由无序排列的DTC网络构成。这些特殊的周期性结构形成了周期性介电常数分布，使BPLC成为一个三维光子晶体，通过布拉格衍射对入射的白光产生选择性反射^[22-23]。通过控制材料体系的手性添加剂含量及降温过程控制，可随温度降低分别出现BPIII、BPII和BPI。研究者通过对蓝相液晶逐层相变过程进行深入研究，揭示了从胆甾相到蓝相的转变机理，这为理解蓝相液晶形成过程提供了重要依据^[24-25]。

2.2 布拉格反射与光子带隙效应

BPLC的三维周期性晶格结构，其晶格常数通常在数百纳米量级，恰好位于可见光波长范围内。这种周期性的介电常数（折射率）排布使其本质上成为一个可调谐的三维光子晶体^[26]。当一束白光入射到BPLC上时，其行为遵循布拉格衍射定律。对于满足特定条件的光波，来自不同晶格平面的反射光会发生相长干涉，导致该波长的光被强烈反射回来，而其他波长的光则大部分透射^[27]。这就形成了BPLC标志性的、鲜艳的结构色^[28]。BPLC的中心反射波长（λ₀）由布拉格方程描述（式（1））。

（1）

$\lambda =\frac{2na}{\sqrt{{h}^{2}+{k}^{2}+{l}^{2}}}$

式中：a表示晶格常数；n表示平均折射率（通过阿贝折射仪法、光谱法、椭圆偏振法进行测量）；h、k和l是晶面的米勒指数。对于给定的BPLC材料，其反射颜色主要由晶格常数a和最强反射的晶面（h，k，l）决定。由于晶格对称性的差异，BPI的最强反射峰通常来自（110）晶面族，而BPII则来自（100）晶面族^[29]。因此，在由相同手性液晶材料构成的体系中，由于BPII的晶格常数通常小于BPI，其反射波长会更短。

一个至关重要的特性是，由于BPLC内部结构的螺旋手性，其反射光是圆偏振光。反射光的偏振旋向与BPLC的螺旋手性方向一致。例如，右手性的BPLC将选择性地反射右旋圆偏振光，而允许左旋圆偏振光透过。这一特性是BPLC区别于许多其他反射呈色材料的根本标志，也为其在偏振光学和防伪等领域的应用奠定了独特的基础。

2.3 影响反射特性的关键因素

BPLC的反射特性是一个受多尺度因素共同决定的复杂体系^[30-31]。从微观到宏观，这些因素可归纳为本征材料参数、介观结构完整性和宏观外部场三个层面，它们相互关联，共同决定了反射光谱的中心波长、峰值强度和带宽^[32-33]。

2.3.1 本征材料参数

本征材料参数是决定反射性能的内因。液晶分子的双折射率（Δn）直接影响光子带隙的宽度，进而决定了反射峰的强度和带宽——高Δn是实现高反射率的基础^[34]。同时，手性剂的类型和浓度通过调控螺旋扭曲力（HTP），直接决定了BPLC的晶格常数a，根据布拉格方程（式（1）），这成为调节反射波长（即颜色）最直接的手段^[35-38]。

2.3.2 介观结构完整性

介观结构完整性则决定了理论性能在实际器件中的实现程度。理想的单晶BPLC具有最高的反射效率，而实际制备中普遍存在的多晶畴、晶界和位错等缺陷结构会引发严重的非相干散射，导致反射率下降、光谱展宽^[39]。因此，如何通过聚合物稳定化^[11]、模板诱导^[7]等手段抑制缺陷、增大晶畴尺寸，是提升反射品质的关键^[40-41]。

2.3.3 宏观外部场

宏观外部场（如电场、湿度、温度、应力）为动态调控反射特性提供了可能。BPLC对外界刺激的敏感响应，源于这些刺激能够改变液晶分子的排列方式或直接引起晶格的形变。例如，最开始科研人员施加直流电时发现电场强度超过一定阈值时，液晶中的离子在电场作用下才开始迁移，并与液晶介质的黏滞力相互作用，诱发流体动力学不稳定性。后通过施加交流电场可诱导克尔效应，改变有效折射率，或通过进一步增大的电场实现电致伸缩诱导晶格畸变，从而实现对反射波长和强度的快速、可逆调控。湿度则是通过水合作用与界面曲率调控导致了液晶的平衡结构溶胀与重构性相变。通过温度变化可实现热致相变或晶格热膨胀，从而制备可视化温敏传感器与防伪器件。通过机械应力/光场可实现力致/光致晶格形变，实现柔性/可拉伸器件，这不仅是BPLC功能器件的核心工作原理，也为主动式光学应用开辟了道路^[42-43]。因此在选择外场调控策略时，存在一个清晰的权衡三角：很难同时兼顾大调谐范围、快响应速度和高可靠性，若追求速度与可靠性的平衡，纯电场是首选。若不惜代价追求最大调谐范围，可考虑电-热协同，但必须接受其慢速、高功耗和低可靠性。若面向柔性可穿戴应用，应力场调控独具优势，但需攻克机械稳定性的难关。未来的研究重点应在于通过新材料和新结构设计，打破这个权衡三角，如开发兼具超大克尔常数和优异稳定性的蓝相液晶复合材料^[12]。

3 蓝相液晶超反射的实现策略与品质控制

实现蓝相液晶的“超反射”性能，本质上是一项多尺度、多物理场的系统工程。它要求在分子、微观结构和宏观器件3个层面进行协同优化，以最大化相长干涉效率并抑制非相干散射损失。本章将系统梳理并论证实现超反射的三大核心技术路径（图2）。

3.1 材料设计与优化

材料的本征光学参数是决定反射性能的内因和理论上限。

（1）提升双折射率（Δn）：根据耦合波理论，反射带宽（Δλ）和峰值反射率（R）均与Δn正相关。高Δn意味着液晶分子与光场更强的相互作用，能形成更宽、更深的光子禁带。因此，设计与合成分子极化率各向异性大的新型液晶单体（如含联苯、三联苯等刚性核的分子）是提升反射性能最根本的途径^[10,34]。杨州等^[44]提出的基于卷积神经网络的高通量蓝相液晶识别方法，为优化蓝相液晶材料和提高制备效率提供了新思路。此外，近年铁电液晶蓝相研究取得突破性进展。Ozaki等^[76]通过蓝相聚合物模板法成功将铁电向列相液晶（NFLC）限制于三维蓝相结构中，在保留微观铁电性（极化强度>2.5 μC/cm²）的同时实现宏观极化抵消。该复合材料展现出创纪录的克尔常数（1.36 nm/V²）与微秒级响应（50 μs/10 μs），突破了高电光活性与快响应难以共存的瓶颈。

（2）优化手性掺杂体系：手性剂的螺旋扭曲力（HTP）直接决定了BPLC的晶格常数和反射波长^[45-48]。选用高HTP手性剂，可以在较低浓度下获得目标波长的反射，减少对液晶基元有序性的干扰。同时，优化手性剂与主体液晶的相容性，有助于形成更稳定的BPLC相^[49-52]。

（3）引入功能性掺杂剂：通过在BPLC体系中掺杂量子点、染料分子或纳米粒子，不仅可以实现反射与发光的复合（如圆偏振发光），还可以利用局域场增强效应间接提升反射效率，或赋予材料全新的刺激响应特性^[8,11,39]。

3.2 结构完美化与缺陷控制

即便拥有优异的本征材料，实际制备的BPLC薄膜中普遍存在的多晶畴、晶界和位错等缺陷，会引发强烈的光散射，极大地削弱了布拉格反射的效率和色纯度。因此，提升晶格的完美度是实现超反射的关键一步。

聚合物稳定化蓝相液晶（PS-BPLC）是目前最主流且有效的策略。通过在BPLC前驱体中添加少量光敏单体和引发剂，在BPLC相形成后进行光聚合，原位形成一个贯穿液晶基体的三维聚合物网络^[8,11]。该网络如同一副“骨架”，“锁定”了理想的BPLC晶格结构，不仅能极大拓宽工作温区（从几K到超过100K），更关键的是能有效抑制晶格缺陷的形成、减小晶畴尺寸、降低光散射，从而显著提升反射率和对比度^[53-54]。

此外，为了获得更大尺寸的单晶或特定取向的晶格，研究者们开发了光取向技术（利用线性偏振紫外光照射涂覆在基板上的光敏各向异性薄膜，为液晶分子提供了定向排列的锚定作用，其预倾角可通过光照条件或材料化学结构进行精确调控）、摩擦取向技术（通过绒布摩擦基板表面，诱导液晶定向排列）、模板辅助生长技术（利用经特殊处理的基底诱导BPLC沿特定晶向（如[110]或[100]）生长，从而增强特定晶面的反射^[7]）、热梯度法（在蓝相温区建立线性温度梯度，低温端优先成核并沿梯度方向缓慢生长）以及电场辅助结晶（在降温过程中施加直流电场，介电力驱动晶核择优取向）。此外，施加剪切力（在蓝相温区施加剪切流，剪切应力驱动DTCs沿流场方向定向排列）、电场（低频交流电场通过介电耦合作用，驱使双扭柱（DTCs）沿电场方向重构，形成单晶畴）或构建微结构限域，也能有效调控晶格取向，减少缺陷，获得更均一、更高质量的反射^[55]。

经李泉团队较新研究说明了一些较具体的实施方案：（1）表面取向控制：利用表面取向控制，通过光对准技术（如数字光对准、激光直写）在基板上预设图案化取向，引导BP形成单晶畴或有序排列。例如，通过交替排列有序与无序区域，可实现动态布拉格反射与衍射调控，通过电场调节其光学响应。（2）电场诱导晶格调控：电场可引起BP晶格的三维形变，其响应依赖于介电各向异性和晶格取向。通过调控电场方向和强度，可实现晶格方向的精确控制，减少缺陷，提高光学均匀性。（3）制备聚合物稳定蓝相液晶：在蓝相液晶中引入聚合物网络形成聚合物稳定蓝相，显著增强其热稳定性和机械稳定性，并抑制缺陷产生。此外聚合物网络还能通过电荷捕获机制在电场作用下调节螺旋间距，实现反射带宽的动态调控^[55,74]。

综上所述，实现高性能蓝相液晶反射器需从材料、结构与器件3个层面进行协同优化。然而，单一策略的极致追求往往伴随新的技术瓶颈。例如，材料与结构的协同：引入高Δn液晶与三维聚合物网络虽能显著提升反射率与稳定性，但高Δn材料与聚合物网络之间可能因界面张力、聚合收缩应力不匹配而诱发新的晶格畸变或界面缺陷，反而加剧光散射^[1,35]。同样，结构与器件的协同：在多层膜或微腔结构中实现完美的晶格匹配极具挑战，层间界面处的取向冲突与应力积累会成为严重的性能限制因素^[55]。

因此，未来的研究重点应从单一参数的优化转向多层级协同设计。这包括开发与高Δn液晶相容性更佳的网络单体以减小内应力，设计智能取向层以实现跨尺度晶格控制，以及发展先进的界面工程方法来消除层间失配。唯有系统性地解决这些跨层级的技术挑战，方能充分释放蓝相液晶在超构表面、光子芯片等前沿领域的巨大应用潜力^[12]。

3.3 多层膜结构与光学谐振设计

在材料和结构优化的基础上，通过巧妙的器件设计，可以进一步突破单层BPLC的性能天花板。单个手性BPLC层理论上最多只能反射50%的非偏振入射光（因其只反射一种旋性的圆偏振光）。为突破此限制，可将左旋和右旋的BPLC薄膜进行堆叠。这样，入射光的一种圆偏振分量被第一层反射，透过的另一种圆偏振分量则被第二层反射，从而使总反射率理论上逼近100%^[12,56]。同样，堆叠不同反射波长的BPLC层，可以实现宽带反射或白光反射。此外，将BPLC置于两片反射镜之间，构成一个法布里-珀罗（Fabry-Pérot，F-P）光学谐振腔。当腔长满足共振条件时，特定波长的光在腔内发生多次反射和干涉，其反射强度会被急剧放大，同时光谱线宽会变得极窄^[55]。这种方法能够以牺牲一定带宽为代价，获得接近100%的峰值反射率和极高的品质因数（Q值），非常适用于激光、窄带滤波和高灵敏度传感等应用。罗丹等^[38,57]设计并制备了多层蓝相液晶薄膜，如图3a所示，将左手性（Left-handed，LH）和右手性（Right-handed，RH）蓝相模板叠加，中间填充非手性液晶。通过电场调控中间层液晶分子的排列，减少散射，实现超高反射率：红（89%）、绿（82%）、蓝（68%），较传统单层膜提升2.7~3.6倍。电场开关下反射率再创新高：红（94%）、绿（86%）、蓝（72%），仅需1 V/μm低电压。亚毫秒级响应速度（0.36 ms开/0.53 ms关），适用于高速显示与光子器件。通过引入谐振腔结构，利用BPLC作为腔体或反射镜的一部分，增强特定波长的反射，此外通过抗反射层/折射率匹配层来减少界面反射损失。器件层面的设计是实现“超”反射的重要途径。如图3b所示，王京霞等^[1]首先采用原位二次生长法制备单螺旋（左旋）聚合物模板蓝相薄膜（LH-PTBP），清洗去除未聚合组分使其具有多孔结构。将LH-PTBP作为底层，在其上组装含有相反手性（右旋）的液晶前驱体。通过精确控温冷却诱导上层形成右旋蓝相（RH-BP），并通过紫外光固化，形成紧密结合的双层结构（DH-BP）。之后清洗去除未聚合组分，得到开放式的双螺旋聚合物模板蓝相薄膜（DH-PTBP）。此外通过界面修饰、减薄底层、提高上层液晶前驱体中非聚合组分的比例的方式显著提高了大面积单畴蓝相的形成、颜色均匀性和反射率（最高达93%），并同时解决了制备过程中出现的颜色/结构不均匀问题。

上述影响总结如表1所示，通过对这些因素的精确调控，可以实现对反射特性的设计与优化，为开发高性能光学器件提供了理论基础，也为探索新型应用提供了方向。

4 超反射BPLC的前沿应用

得益于其高亮度、高色纯度、快速响应及动态可调等综合优势^[43]，超反射BPLC技术正深刻影响着多个前沿光子学领域^[58]，催生了一系列颠覆性的应用^[3]。蓝相液晶的独特结构使其具有超快电光响应特性，为新型超快显示提供了可能^[59]。如图4所示，对于不同的外界刺激，蓝相液晶都可以产生不同的光学反应现象，为多功能光学器件的开发提供了新思路^[55,59]。

4.1 蓝相液晶在显示技术中的应用

传统反射式显示技术（如电泳电子纸）虽具低功耗优势，但受限于低色彩饱和度与慢响应速度。超反射BPLC技术通过解决传统BPLC反射亮度不足的关键缺陷，在完整保留反射式显示零静态功耗优势与环境光越强可视性越佳的特质同时，实现了媲美发光显示器的色彩表现，其亚毫秒级响应速度更支持流畅视频播放，为开发“纸质感”彩色视频电子书/广告牌提供了理想解决方案。蓝相液晶反射器件的物理基础源于其独特的光子晶体结构对外电场的动态响应机制。与传统液晶依赖偏振光调制的原理根本不同，该技术利用三维周期性立方晶格产生的布拉格反射实现色彩调控，省去了传统液晶必需的偏振片与配向层，极大地简化器件结构至三层基本构造（蓝相液晶层/透明电极/玻璃基板）（图5a）。在零电场状态下，自组装形成的[110]晶格面以精确的晶格常数（200~400 nm）选择性反射可见光谱；当施加外电场时，定向库仑力诱导液晶分子重新排列，通过晶格常数调制与双折射率变化的协同作用，实现反射波长在可见光波段的连续可调。

聚合物稳定蓝相（PSBP）技术的引入标志着宽谱电场调色器件的重大突破。White团队^[60]利用三维聚合物网络精确复刻BP晶格骨架，有效抑制了电场导致的晶格塌陷，首次实现直流电场驱动下160 nm的红移调谐范围（图5b）。但该体系受限于质量分数为5%的低聚合物含量，相态稳定性仅在狭窄温窗（ΔT=6 ℃）内维持。2015年，Lin等^[61]取得关键突破：通过在蓝相I（BP I）施加特定阈值电场（3.5 V/μm）诱导形成新型蓝相X（BP X），配合紫外光固化构建交联密度梯度网络，将工作温域拓展至60 ℃以上。优化后的体系在直流场下红移量跃升至200 nm，并在27 μm厚器件中观察到反射带半峰宽从50 nm至120 nm的对称展宽（图5c），显著提升色彩渐变平滑度。2017年，王萌团队^[62]进一步突破非对称调制技术壁垒：通过编程化控制偏置电压极性与幅值，使原本反射517 nm绿光的器件实现全色域覆盖。机理研究表明定向静电力驱动带电聚合物网络位移，引发立方晶格电机械变形，其非均匀密度分布是偏压极性依赖响应的关键。随后研究通过分子设计与工艺创新实现光子特性的空间精准调控。采用手性掺杂剂构建螺旋聚合物网络，在单向直流场（5 V/μm）下实现光子带隙450→750 nm的全可见光波段的移动。通过硫醇-烯点击化学调控聚合动力学，结合紫外掩模空间选择性固化，制备出具有区域化电致变色特性的图案化器件（图5d）：曝光区在电场驱动下呈现从绿光（550 nm）经黄橙（600 nm）至红光（650 nm）的动态色谱迁移，而掩蔽区因聚合网络交联密度差异，带隙稳定锁定于蓝光波段（480 nm）。这种“电场响应-空间位置”的强关联性为像素化反射显示奠定了材料基础。综上研究表明，通过调控关键实验参数，可定向优化蓝相三维周期结构中聚合物网络形态与微观结构，进而设计具有多样化电场响应特性的BPLC反射器件。

4.2 光学防伪领域的应用

BPLC因其独特的光子晶体结构与由此产生的结构色特性，在光学防伪领域展现出巨大应用潜力。其周期性三维螺旋结构赋予了材料难以复制的物理基础。与依赖化学颜料的传统技术不同，BPLC的结构色具有鲜明的角度依赖性与独特的圆偏振选择性，这两种内在光学特性构成了其防伪应用的核心优势。

BPLC防伪技术主要通过静态编码与动态响应两种途径实现。在静态编码方面，利用其选择性反射可在特定波长产生高饱和度的结构色。更为精妙的是，可利用其微观结构的不可复制性进行高密度信息存储。例如，王京霞等^[10]的研究表明（如图6a），BPLC的随机多畴结构可在偏振光学显微镜下直接成像，并转化为分辨率高达37×37像素的二进制QR码。由于每个像素点对应独一无二的液晶畴排布，这种“物理不可克隆函数（PUF）”特性极大地提升了防伪标签的安全性。进一步地，研究人员利用其核壳结构的多相共存特性及温度驱动的无相变扩散行为，开发出基于绿-蓝-黑三色响应的三进制编码，显著提升了信息存储密度。

在动态响应方面，通过引入外部场（如电场、热场、机械应力）刺激，可实现防伪信息的可逆切换，从而增加验证的复杂度与安全性。如图6b所示，赵东宇等^[58]设计了一种双模态防伪标签，实现了BPLC温敏结构色（反射态）与掺杂发光分子（AIEgens）的光致荧光（荧光态）的协同调控。该系统使标签在可见光（反射）与紫外光（荧光）下能够呈现并独立加密不同的信息，构成了一种高安全性的多模态、动态防伪机制。陈全明等^[63]研究了蓝相液晶中的非对称域增长现象以及蓝相液晶同时对温度和电产生的相应变化，如图6c所示，发现结构的不对称性可用于实现信息隐藏和显示，从图可以看出显示部分相较隐藏部分具有较高的反射率。因此可以发现结构是决定反射质量的关键因素。为推动BPLC防伪技术的实用化，图案化工艺和聚合物稳定化是关键的使能技术。前者用于制造宏观可见的防伪标识，后者则确保标签在宽温域内具有卓越的环境稳定性。此外，诸如不对称域增长等新物理现象的发现，为信息隐藏与动态显示提供了新机制。同时，智能响应、柔性化与可拉伸性是BPLC防伪标识的重要发展方向，以适应多样化的应用场景。例如，郭金宝团队^[42]基于量子点掺杂蓝相液晶弹性体独特的机械/热的CPL调谐性能（图6d），探索了其在防伪及信息加密的应用。首先，通过设计图案实现了多层防伪认证。其次，通过部分拉伸QD-BPLCE实现信息的写入，并通过热编程实现了信息存储。最后，通过组合不同类型的QD-BPLCE，实现了多级信息加密，利用了其在不同状态下的光学行为，有效防止信息泄露。

综上所述，蓝相液晶超反射防伪技术已从单一的变色标识演进为集静态高分辨率编码与动态多模态响应于一体的集成化防伪系统。该技术结合了拓扑相变与光学特性，突破了传统静态防伪的技术瓶颈。凭借其不断提升的安全等级与功能多样性，BPLC正成为光学防伪领域一条极具前景的核心技术路线。

4.3 光学传感与成像应用

BPLC的超反射特性源于其自组装的三维光子晶体结构，该结构对外部环境变化极为敏感，为其在光学传感及先进成像领域的应用奠定了物理基础。其核心工作机制表现为“外界刺激 → 晶格常数改变 → 反射波长/强度变化”的连锁响应，实现了将物理或化学信号高效转换为光学信号的功能。

在光学传感器方面，如图7所示，BPLC光学传感器凭借其高灵敏度、快速响应、无需标记以及可微型化的特点，为环境监测、生物医学和智能穿戴设备等前沿领域提供了一个极具竞争力的技术平台。BPLC的传感应用可根据刺激类型进行划分：

（1）物理传感（温度与压力）：温度是BPLC最基本的传感对象。其晶格对温度高度敏感，微小的温度波动即可引起显著的布拉格反射峰位移，表现为肉眼可见的颜色变化，适用于制作简易高效的温度指示器。在压力传感方面，外部应力会直接导致光子晶体结构发生可逆形变，从而使结构色随压力大小和分布而改变（图7a）^[64]。例如，聂振洲等^[7]研发的BPLC-弹性体复合材料，通过结构功能一体化设计，实现了微牛顿级的力学灵敏度和毫秒级的快速响应，在可穿戴电子、生物医学监测和结构健康监测等领域前景广阔。

（2）化学与生物传感：通过在BPLC体系中引入对特定分析物敏感的功能性分子，可将其传感能力从物理领域拓展至化学及生物领域。这种功能化设计能够开发出对湿度或pH值、特定气体或生物分子具有特异性光学响应的专用传感器。如图7所示，展示了通过设计出对湿度响应的BPLC并开发出多个应用，如可以反复书写的BPLC（图7b）、通过湿度响应而变色的BPLC图案印刷（图7c）以及水果比色湿度传感器（图7d）^[65]表明蓝相液晶可被用于制备湿度响应的彩色光子聚合物涂层。这类涂层能够根据环境湿度的变化动态改变颜色，实现可视化的湿度传感。其机理为：蓝相液晶的周期性三维立方结构使其具有光子带隙，能够选择性反射特定波长的光。在湿度刺激下，材料结构发生膨胀或收缩，导致光子带隙移动，从而引起颜色变化^[75]。此外如图7e所示，通过向液晶基体引入甲苯，其破坏了分子间作用力，改变了分子排列方式，并影响了聚合物稳定蓝相（PSBP）结构内螺旋柱结构及线缺陷的自由能。这些微观层面的变化在宏观上表现为布拉格衍射位移，导致光谱发生红移或蓝移，从而实现了对甲苯蒸气的检测^[66]。

未来，将多种响应机制集成是BPLC传感技术的重要发展方向。通过精巧的分子功能化与材料复合策略，可以构建能够同时检测温度、湿度、特定化学物质等多重参数的智能传感系统。此外，这些研究为超反射BPLC材料在光学领域的应用奠定了很好的基础。

BPLC在光学成像领域的应用主要体现在其作为功能性光学元件的潜力上。利用其窄带反射特性，BPLC可作为高性能的可调谐滤光片，用于高光谱成像等领域以提升图像对比度和信噪比。同时，其固有的圆偏振选择性为偏振成像提供了新途径，通过构建不同手性的BPLC微阵列，可实现对光场偏振信息的空间分辨探测，在生物组织分析和材料无损检测中应用前景广阔。基于BPLC的电场调控特性（如克尔效应），可以开发一系列主动式光学器件，如可调焦距透镜、光束扫描器和动态衍射光栅等。这些元件能为光学系统引入实时可重构性与灵活性，突破传统静态光学系统的性能瓶颈，推动自适应光学与计算成像技术的发展。王京霞团队^[67]通过PTBP材料创新、扩散动力学解析及双螺旋结构设计，建立了蓝相液晶时空编程的理论与技术体系。首先通过移除聚合物稳定蓝相（PSBP）中的非聚合组分，开发出具有微孔结构的PTBP薄膜。通过浸润液晶墨水（如5CB）诱导晶格溶胀，实现自适应性颜色切换，得到了喷墨打印多色图案，如图8a印有“LC-油墨”图案的BP聚合物涂层所示。此外，通过FAS疏水修饰抑制扩散加扩散动力学调控得到了高分辨率的“活”图案动态变色，分辨率由约100 μm提升到33.7 μm，绘制了蒙娜丽莎图案和防伪QR码（图8b）^[29]。近期该团队又引入机器学习参数优化与多维加密策略，通过双螺旋网络（RH/LH）加机器学习优化的方法制得了时空编程手性单元与双螺旋加密相结合的疫苗监测标签以及《戴珍珠耳环的少女》动态加密（图8c），进一步推动了动态光学调控在信息安全、智能传感等领域的应用^[68]。其工作彰显了仿生材料设计在解决动态光学调控难题中的强大潜力，为下一代智能响应器件奠定基础。

此外，BPLC凭借其三维周期光子晶体的动态可调性，在可调谐激光器与智能激光防护领域展现出变革性潜力。其核心优势在于光子带隙的高选择性与实时可重构特性——通过分子工程可精准定制反射带中心波长及带宽，实现对特定激光威胁的定向抑制，同时维持非威胁波段的高透光率，彻底克服传统吸收型材料“宽谱屏蔽导致透光损失”的固有局限。

在激光防护应用中，王京霞团队^[70-71]通过全聚合网络架构替代传统液晶，配合DCM染料优化及真空低温测试装置，首次实现-180~240 ℃超宽温域稳定激射（阈值<0.220 μJ/pulse，线宽0.0516 nm），覆盖液氮冷却至高温极端环境^[56,69]。此外，还开发了基于非线性三维非对称变形的可拉伸蓝相液晶激光器，实现了在变形条件下保持光学稳定性^[55]。该体系的交联网络拓扑工程使器件在拉伸应变（ε<40%）下保持体心立方结构，输出单模可调激光（波长偏移44.43 nm），应变释放后完全恢复；其本征手性结构更可辐射右旋圆偏振（RCP）激光，在x/y/z三向均具增益特性，为三维应力传感开辟新路径。这些突破性进展与图案化聚合技术（空间分辨率10 μm）协同推进，正推动BPLC从实验室走向战场防护与激光医疗装备等高端应用，未来通过与超表面融合及机器学习优化分子设计，有望实现广角抗干扰的新一代智能激光器件^[29,72-73]。

表2总结了超反射BPLC通过其优异的性能在不同领域中的应用。

5 结论

本文系统综述了蓝相液晶超反射材料与器件的研究进展。从物理机理的深刻理解到实现策略的不断创新，BPLC的反射性能已实现从常规布拉格反射到“超反射”的跨越。通过材料、结构和器件三个层面的协同优化，研究者们成功地将BPLC的反射率推向新高，并显著提升了其色彩表现力。这些突破不仅为低功耗反射式显示、高安全等级光学防伪、高灵敏度智能传感等前沿应用注入了新的活力，也充分证明了BPLC作为一种先进光子功能材料的巨大潜力。尽管成就斐然，蓝相液晶超反射技术走向规模化应用仍面临若干核心挑战：（1）材料体系的本征局限性：现有BPLC的工作温区仍普遍偏窄，且高双折射率与宽温区稳定性之间往往难以兼顾。（2）制备工艺的复杂性：实现大面积、低缺陷的单晶BPLC薄膜仍然是工艺难题，限制了器件的均一性和成本效益。（3）动态调控的性能瓶颈：电场调控范围、响应速度与功耗之间的平衡，以及多场响应（如力-光-电协同）的集成，尚需进一步优化。

展望未来，蓝相液晶超反射领域的发展将呈现以下趋势。

（1）从“静态”走向“动态”与“智能”：未来的研究重点将更多地聚焦于开发具有多重刺激响应（如光、电、热、力、化学物质）的智能BPLC系统。通过与液晶弹性体、水凝胶等软物质结合，有望实现形状可重构、功能可编程的自适应光子器件。

（2）从“单一”走向“复合”与“集成”：将BPLC与量子点、钙钛矿、上转换纳米颗粒等功能材料复合，是实现发光、传感、能量转换等多功能集成的有效途径。这不仅能创造出全新的应用场景（如圆偏振发光显示），也能通过材料间的协同效应突破单一BPLC的性能极限。

（3）从“实验室”走向“产业化”：突破大规模、低成本的制备技术是关键。卷对卷涂布、喷墨打印、3D打印等先进制造技术的引入，有望推动BPLC器件从实验室走向市场。同时，结合人工智能和高通量计算/实验，将加速新型BPLC材料的筛选与设计进程。

总之，蓝相液晶超反射技术正处在基础研究突破与应用探索爆发的交汇点。随着跨学科研究的不断深入，我们有理由相信，BPLC将在下一代信息显示、智能传感、光场调控等领域扮演愈发重要的角色，为解决能源、信息和安全等领域的重大挑战贡献独特的“液晶智慧”。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52472086)

北京市属高校青年杰出人才培养项目(BPHR202203071)

北京市属高校高水平创新团队建设与支持项目(BPHR20220107)

北京印刷学院校级项目(Ea202402)

北京印刷学院校级项目(Ec202501)

北京印刷学院平台建设项目(KYCPT202510)

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Received	Published	Revised
2025-07-28	2026-02-24	2025-11-25
Online Date
2026-02-04

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