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Nat. Commun.：清華劉碧錄團(tuán)隊(duì)開發(fā)出二維材料光學(xué)各向異性水凝膠
來(lái)源：清華大學(xué)新聞網(wǎng) 2022-11-09
導(dǎo)讀：近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄副教授團(tuán)隊(duì)利用磁場(chǎng)控制二維鈷摻雜氧化鈦液晶的取向，制備出一種具有大雙折射值的光學(xué)各向異性水凝膠。這種磁場(chǎng)控制方法具有無(wú)損、高度均勻等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)各向異性的精確調(diào)控。相關(guān)研究成果近日以“一種基于二維材料且具有可控干涉色的透射式水凝膠”（A 2D material–based transparent hydrogel with engineerable interference colours）為題發(fā)表在期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
水凝膠是一種由親水性聚合物鏈交聯(lián)而成的三維網(wǎng)絡(luò)，具有良好的彈性、生物兼容性及刺激響應(yīng)性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、柔性設(shè)備、智能器件等領(lǐng)域。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)在水凝膠中引入各向異性結(jié)構(gòu)會(huì)為其帶來(lái)一系列新奇的理化特性及應(yīng)用，如雙折射及相應(yīng)的干涉色。相比傳統(tǒng)染料著色，干涉色更加逼真，并具有寬色域、高耐用性等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。在水凝膠中引入各向異性的常見方法包括機(jī)械應(yīng)力輔助、自組裝、電場(chǎng)控制及3D打印等技術(shù)，但這些方法的均勻性及可控性較差，且會(huì)對(duì)材料造成損傷。同時(shí)受限于較小的雙折射，現(xiàn)有報(bào)道的光學(xué)各向異性水凝膠只能展現(xiàn)出黑白變化，限制了其在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。針對(duì)以上挑戰(zhàn)，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄副教授團(tuán)隊(duì)利用磁場(chǎng)控制二維鈷摻雜氧化鈦液晶的取向，制備出一種具有大雙折射值的光學(xué)各向異性水凝膠。這種磁場(chǎng)控制方法具有無(wú)損、高度均勻等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)各向異性的精確調(diào)控。同時(shí)，得益于二維結(jié)構(gòu)極大的幾何徑厚比及磁化率各向異性，二維鈷摻雜氧化鈦液晶具有靈敏的磁響應(yīng)，在小磁場(chǎng)下可高度有序排列，從而賦予水凝膠較大的雙折射。研究人員首先通過(guò)離子插層法制備了二維鈷摻雜氧化鈦液晶，而后在磁場(chǎng)下調(diào)控二維無(wú)機(jī)液晶分子的有序排列，再利用原位光聚合反應(yīng)將各向異性引入水凝膠中。由于二維鈷摻雜氧化鈦液晶具有巨磁致雙折射效應(yīng)，故水凝膠制備過(guò)程所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度較低（<1T），并且水凝膠的雙折射達(dá)到10-4，比現(xiàn)有報(bào)道值大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這一大雙折射可實(shí)現(xiàn)干涉色的寬光譜覆蓋，且不同的干涉色可通過(guò)控制磁場(chǎng)、二維無(wú)機(jī)材料液晶濃度、光程及機(jī)械應(yīng)力等多種參量進(jìn)行調(diào)控，調(diào)控方法的多樣性及顏色的豐富性使得此類水凝膠的個(gè)性化光學(xué)應(yīng)用成為可能?；谶@種各向異性水凝膠，研究人員制造并演示了一系列光學(xué)原型器件，包括光學(xué)相位延遲器、梯度光學(xué)衰減器、磁性透明彩色成像儀和可視化應(yīng)力及溫度探測(cè)器等，這為偏振光學(xué)領(lǐng)域的諸多應(yīng)用如定制化光學(xué)元件、視覺(jué)增強(qiáng)設(shè)備、防偽標(biāo)簽等提供了新思路。
圖1. 基于二維無(wú)機(jī)材料液晶的各向異性水凝膠制備
圖4. 二維材料各向異性水凝膠光學(xué)應(yīng)用展示相關(guān)研究成果近日以“一種基于二維材料且具有可控干涉色的透射式水凝膠”（A 2D material–based transparent hydrogel with engineerable interference colours）為題發(fā)表在期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。論文通訊作者為劉碧錄，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院丁寶福博士和2017級(jí)碩士研究生曾鵬源，論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2019級(jí)博士研究生黃子陽(yáng)，博士后代立新，科研助理蘭天姝、徐浩、潘意坤，羅雨婷博士，余強(qiáng)敏博士，成會(huì)明教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委等部門的支持。參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/99665.htm
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