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  液晶是一種既有液體的流動(dòng)性，又有固體的各向異性有序排列的介于固體和液體之間的特殊物質(zhì)。自1888年被首次發(fā)現(xiàn)以來(lái)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。從生活中常見(jiàn)的液晶電視，手機(jī)屏幕，汽車(chē)、家電上的儀表盤(pán)，到科學(xué)研究領(lǐng)域中的光學(xué)相位調(diào)節(jié)器，分光束控制器以及可調(diào)節(jié)菲涅耳透鏡等。

圖1 液晶的向列相紋理結(jié)構(gòu)（左）和液晶的應(yīng)用實(shí)例（右）

  液晶器件是光學(xué)器件，其基本結(jié)構(gòu)是一層液晶材料夾在兩層電極中間。電極要求是透明的，才能讓光透過(guò)。目前，使用最廣泛的透明電極是鍍有氧化銦錫（ITO）的導(dǎo)電玻璃。但是ITO導(dǎo)電玻璃對(duì)制備工藝要求苛刻，制備成本高，并且玻璃容易摔碎。近年來(lái)，科學(xué)家們致力于研發(fā)替代ITO導(dǎo)電玻璃的透明電極，如碳納米管、石墨烯、納米金屬氧化物和納米銀線等。盡管這些電極相比于ITO導(dǎo)電玻璃有性能上的提高，但仍然存在諸如透明度不高、機(jī)械載荷下的脆性斷裂和界面脫粘等問(wèn)題。

  上述基于無(wú)機(jī)材料的電極通常是脆性的。相比之下，基于有機(jī)材料的電極則通常具有優(yōu)異的拉伸性能。其中，一個(gè)典型的具有高透明度和高可拉伸性能的材料是摻雜有離子的水凝膠離子導(dǎo)體。與無(wú)機(jī)材料基于電子導(dǎo)電不同的是，水凝膠離子導(dǎo)體是基于離子導(dǎo)電的。這與人體的神經(jīng)傳遞神經(jīng)電信號(hào)是一致的，水凝膠離子導(dǎo)體可以用作人造神經(jīng)。美國(guó)哈佛大學(xué)鎖志剛教授團(tuán)隊(duì)于2013年首次在Science上報(bào)道水凝膠離子導(dǎo)體在介電彈性體驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用，展示了透明的人造肌肉和透明的揚(yáng)聲器。之后，鎖志剛教授團(tuán)隊(duì)一直致力于水凝膠離子導(dǎo)體的相關(guān)研究，先后報(bào)道了基于水凝膠的能感知壓力的人造皮膚、可拉伸透明人造神經(jīng)、可拉伸電致發(fā)光器件等。

圖2 基于水凝膠離子導(dǎo)體的透明/可拉伸器件

  現(xiàn)在，鎖志剛教授團(tuán)隊(duì)首次提出用水凝膠離子導(dǎo)體來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶，實(shí)現(xiàn)了液晶器件的可拉伸，開(kāi)辟了離子導(dǎo)體在液晶器件中的應(yīng)用。

圖3 基于水凝膠離子導(dǎo)體的液晶器件結(jié)構(gòu)及原理示意圖

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于水凝膠離子導(dǎo)體的液晶器件具有與傳統(tǒng)的基于電子導(dǎo)體的液晶器件相同的光學(xué)響應(yīng)功能。對(duì)器件在電驅(qū)動(dòng)下的顯微鏡觀察進(jìn)一步確認(rèn)了這一現(xiàn)象。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，引入水凝膠離子導(dǎo)體后器件的RC延遲非常小，不會(huì)影響液晶器件的響應(yīng)時(shí)間。

圖4 基于水凝膠的液晶器件光學(xué)響應(yīng)性能

  我們知道，當(dāng)給水施加的電壓超過(guò)其電解電壓（~1V）時(shí)，水會(huì)被電解。在基于水凝膠的液晶器件中，研究人員通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在高于水的電解電壓（100~1000V）下，保持液晶的穩(wěn)定工作，同時(shí)避免了水的電解。

圖5 器件的微觀結(jié)構(gòu)表征與動(dòng)態(tài)響應(yīng)

  水凝膠離子導(dǎo)體的引入，賦予了液晶器件可拉伸特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，器件在拉伸前后保持了其光學(xué)響應(yīng)功能。此外，器件的可拉伸特性使得器件具有雙重響應(yīng)功能，即電壓驅(qū)動(dòng)下的光學(xué)響應(yīng)功能和機(jī)械變形驅(qū)動(dòng)下的光學(xué)響應(yīng)功能。

圖6 可拉伸液晶器件

  最后，研究人員指出，液晶器件是一種電壓驅(qū)動(dòng)的器件，可以由離子驅(qū)動(dòng)，而不一定需要由電子驅(qū)動(dòng)。原則上講，所有的液晶器件都可以由離子導(dǎo)體來(lái)驅(qū)動(dòng)。

  離子導(dǎo)體的種類(lèi)繁多。這一工作首次展示了用離子導(dǎo)體來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶器件的可行性。不同種類(lèi)的離子導(dǎo)體將賦予液晶器件新的性能。此外，基于離子導(dǎo)體的液晶器件獨(dú)特的柔軟特性，可以使得液晶器件在一些之前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)合，如可穿戴顯示屏，曲面顯示，可折疊顯示以及柔性光學(xué)調(diào)節(jié)器等，得到新的應(yīng)用。

  這一研究工作最近發(fā)表在Materials Horizons上。博士后楊燦輝是該論文的第一作者，鎖志剛教授為通訊作者。該工作由美國(guó)哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院合作完成。

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論文信息與鏈接：

Can Hui Yang, Shuang Zhou, Samuel Shian, David R. Clarke, Zhigang Suo, Organic Liquid-Crystal Devices Based on Ionic Conductors, Materials Horizons, 2017, DOI: 10.1039/C7MH00345E.

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/MH/C7MH00345E#!divAbstract