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  北京大學(xué)工學(xué)院楊槐教授課題組在響應(yīng)型柔性光子晶體研究方面取得重要進展。該研究成果發(fā)表于Advanced Functional Materials，論文題目為“Asymmetric Tunable Photonic bandgaps in Self-Organized 3D nanostructure of Polymer-stabilized Blue Phase I Modulated by Voltage Polarity”。

  響應(yīng)型光子晶體因其可調(diào)控的周期性結(jié)構(gòu)和對特定頻率光波的有效控制，被認為是一種新型智能材料并在下一代納米光子技術(shù)中具有廣闊的應(yīng)用前景，但精細的微觀結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的制備工藝要求為其發(fā)展帶來了重大挑戰(zhàn)。在眾多有機和無機材料當(dāng)中，液晶材料既具有晶體的微觀分子排列結(jié)構(gòu)又具有液體的宏觀流動性，因此可自組裝形成周期性結(jié)構(gòu)且對外界刺激保持高敏響應(yīng)，是制備響應(yīng)型光子晶體的一種理想材料。

  楊槐教授課題組通過聚合物穩(wěn)定藍相自組裝立方晶格微納結(jié)構(gòu)的方法制備了一種具有電場調(diào)控特性的三維藍相液晶光子晶體薄膜，其光子帶隙在-30℃～60℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的熱力學(xué)穩(wěn)定性能。室溫條件下，該薄膜在直流電場作用時表現(xiàn)出光子帶隙非對稱雙向移動的電場響應(yīng)特性，且光子帶隙的位置受電場方向和場強大小調(diào)控，移動范圍可覆蓋可見光波段。基于該種材料可制備低激發(fā)閾值的電調(diào)諧藍相液晶激光器，激光波長調(diào)控范圍可達22nm。

藍相液晶光子晶體電場響應(yīng)示意圖：（a）無電場；（b）施加負向電場；（c）施加正向電場

  通過一系列對比實驗發(fā)現(xiàn)聚合物網(wǎng)絡(luò)的存在和結(jié)構(gòu)對薄膜電場響應(yīng)特性起至關(guān)重要的作用。掃描電鏡圖片表明該薄膜具有自上而下密度逐漸降低的非均勻聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在直流電場作用下，帶正電的聚合物網(wǎng)絡(luò)受定向電場作用力發(fā)生移動且運動方向受電場方向控制，從而造成藍相晶格結(jié)構(gòu)的拉伸或壓縮，進而表現(xiàn)出光子帶隙的雙向移動。研究者認為，通過控制液晶盒厚、聚合溫度、可聚合單體質(zhì)量分數(shù)、紫外光強度等實驗條件，可定性地控制藍相三維周期性結(jié)構(gòu)中聚合物網(wǎng)絡(luò)的形貌和微觀結(jié)構(gòu)，進而制備出具有多種電場響應(yīng)特性的藍相液晶光子晶體。該種電場響應(yīng)型三維柔性液晶光子晶體薄膜材料的響應(yīng)時間快，重復(fù)性和穩(wěn)定性良好，有望在反射型液晶顯示、可調(diào)光柵、可調(diào)激光器等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

  論文第一作者是北京大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系博士生王萌。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201702261/abstract

  另外楊槐教授和郭少軍教授課題組在多響應(yīng)型柔性液晶調(diào)光膜領(lǐng)域取得重要合作研究進展，制備了一種能夠高效屏蔽近紅外光、同時可見光透過率可通過溫度和電場兩種方式調(diào)控的柔性液晶調(diào)光膜。該研究成果發(fā)表在Materials Horizons（IF:10.706）上，論文題目為“A temperature and electric field-responsive flexible smart film with full broadband optical modulation”。

  智能調(diào)光膜因其可選擇性調(diào)控（屏蔽）太陽光的能量而在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，但是現(xiàn)有的調(diào)光膜材料只能選擇性調(diào)控（屏蔽）可見光或近紅外光，主要原因在于對可見光調(diào)控的材料與對近紅外光調(diào)控的材料之間存在界面不兼容的問題。若能夠解決上述兩類材料之間的界面兼容性問題，則有望實現(xiàn)調(diào)控能力覆蓋可見光和近紅外光的智能調(diào)光膜的制備。

  楊槐教授和郭少軍教授課題組通過合作研究，通過在非極性的氧化銦錫納米粒子表面包覆極性的二氧化硅過渡層，實現(xiàn)了氧化銦錫納米粒子在極性的液晶/丙烯酸酯復(fù)合材料體系中的單分散，解決了非極性氧化銦錫納米粒子與極性液晶/聚合單體體系之間界面不兼容的問題。課題組利用氧化銦錫納米粒子對近紅外光的等離子體共振吸收作用，所制備的薄膜可屏蔽掉95%以上的近紅外光；同時，利用具有近晶相～膽甾相相變液晶材料對溫度和電場的雙重響應(yīng)特性，實現(xiàn)了溫度和電場兩種方式對薄膜可見光透過率的調(diào)節(jié)。

納米粒子改型路線、薄膜處于不同狀態(tài)時的光譜、薄膜內(nèi)部高分子結(jié)構(gòu)及薄膜在不同溫度與電場作用下的實物照片

  此外，在制備薄膜的過程中，課題組利用分步紫外光固化技術(shù)，在薄膜內(nèi)部構(gòu)筑楊槐教授課題組首創(chuàng)的聚合物分散與穩(wěn)定液晶共存體系，利用該體系獨特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在不影響薄膜低溫透明態(tài)對可見光透過率的同時，賦予了薄膜很好的粘結(jié)強度，有利于實現(xiàn)大面積柔性薄膜的輥對輥加工制備，具有很強的實用價值。

  論文第一作者是北京大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系博士生梁霄。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持。

  論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/mh/c7mh00224f#!divAbstract