液晶有自己的相。它们可以像液体一样流动，但由于其分子排列有序，因此可以轻松操纵它们来反射光线。这种灵活性使液晶成为节能手机、电视和电脑显示屏的首选材料。

在《自然化学》杂志的一项新研究中，达特茅斯学院和南卫理公会大学的研究人员暗示，未来有一天液晶还可能实现其他应用，这些应用全部由自然光提供动力。这些应用包括液晶激光器、可轻松打印和擦除的显示屏，以及可添加到钞票上以阻止伪造者的微型标签。

这些奇妙装置的核心是一种合成分子开关，它可以触发液晶的形状变化，使其反射不同的颜色。该开关由达特茅斯大学化学教授伊凡·阿普拉哈米安的实验室设计，由有机分子三蝶烯和一类称为腙的化合物组成，腙可以通过光脉冲打开和关闭。

在这项研究中，Aprahamian和他的同事们表明，腙可以以某种方式附着在三蝶烯上，从而破坏分子的对称性，使其具有手性。手性分子有两种镜像形式，就像我们的手一样，它们不能完全叠加在一起。

当手性三蝶烯与液晶分子相互作用时，它会引发一系列事件，导致其他液晶分子排列成行，重新排列成扭曲的、类似DNA的螺旋。

在螺旋形式中，液晶会根据其螺距(即螺旋结构中线圈之间的距离)反射不同波长的环境光;拉伸和压缩螺旋会触发颜色变化。在自然界中，变色龙和头足类动物也利用结构特征立即融入周围环境，而不会对皮肤造成任何色素变化。

“通过增加或减少螺旋结构的音高，我们可以控制它反射的颜色，”Aprahamian说。“把它想象成演奏手风琴。我们不是压缩和扩展乐器来控制你听到的音调，而是使用光来控制你看到的音高和颜色。”

这项研究提供了爱德华·蒙克的《呐喊》和梵高的《星夜》的生动再现作为证据。这些图像是在南卫理公会大学的亚历山大·利珀特实验室中用一台改装成微型幻灯片投影仪的显微镜制作的。

5CB掺杂(S,S)-1的透射光谱和DLP图案化，用于生成多色图像。来源：NatureChemistry(2024)。DOI：10.1038/s41557-024-01648-0

这个过程让人想起了多色丝网印刷，研究人员使用微型投影仪将光线投射到由掺杂手性三苯乙烯的液晶制成的临时屏幕上的一系列模板上。通过在模板暴露的屏幕上以不同时间长度照射光线，逐一添加新的颜色。

“一旦图案被画上去，它就可以保留好几天，”这项研究的共同作者、南卫理公会大学副教授利珀特说。“你也可以把它擦掉，回到一张空白的画布上。”

Aprahamian的实验室以前设计过腙开关，但这个版本是第一个被证明能够反射液晶中可见颜色的开关。这也是第一次使用可以打开和关闭的掺杂剂在液晶显示器上投射出稳定、持久的多色图像。

在早期的实验中，阿普拉哈米安尝试用一种名为异山梨醇的手性分子制作可切换掺杂剂。虽然液晶会与异山梨醇相互作用并形成螺旋结构，但它们不会反射可见光。在2016年特柳赖德举行的一次会议上，麻省理工学院的一位化学教授建议阿普拉哈米安尝试一下三蝶烯。

Aprahamian表示，手性三蝶烯之所以取得突破，是因为它能够高效地将手性信息传输到液晶中。只需要相对较少的分子就能将大量液晶排列成新的结构，从而改变其性质。

“这就是所谓的军士和士兵效应，”Aprahamian说，“少数手性‘军士’分子控制着大量非手性‘士兵’分子的性质。”

该研究详细描述了分子水平上发生的情况，这可以帮助研究人员进一步研究液晶的新应用。

“我们现在可以利用这些知识来创造更好的液晶掺杂剂，”这项研究的第一作者、印度理工学院曼迪分校的助理教授InduBala说道，他曾在达特茅斯担任博士后研究员参与该项目。