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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(jìn)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(duì)特定頻率光波的有效控制，被認(rèn)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(xì)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(lái)了重大挑戰(zhàn)。在眾多有機(jī)和無(wú)機(jī)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(dòng)性，因此可自組裝形成周期性結(jié)構(gòu)且對(duì)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(guò)聚合物穩(wěn)定藍(lán)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(chǎng)調(diào)控特性的三維藍(lán)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(chǎng)作用時(shí)表現(xiàn)出光子帶隙非對(duì)稱(chēng)雙向移動(dòng)的電場(chǎng)響應(yīng)特性，且光子帶隙的位置受電場(chǎng)方向和場(chǎng)強(qiáng)大小調(diào)控，移動(dòng)范圍可覆蓋可見(jiàn)光波段�；谠摲N材料可制備低激發(fā)閾值的電調(diào)諧藍(lán)相液晶激光器，激光波長(zhǎng)調(diào)控范圍可達(dá)22nm。

藍(lán)相液晶光子晶體電場(chǎng)響應(yīng)示意圖：（a）無(wú)電場(chǎng)；（b）施加負(fù)向電場(chǎng)；（c）施加正向電場(chǎng)

  通過(guò)一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聚合物網(wǎng)絡(luò)的存在和結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜電場(chǎng)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(chǎng)作用下，帶正電的聚合物網(wǎng)絡(luò)受定向電場(chǎng)作用力發(fā)生移動(dòng)且運(yùn)動(dòng)方向受電場(chǎng)方向控制，從而造成藍(lán)相晶格結(jié)構(gòu)的拉伸或壓縮，進(jìn)而表現(xiàn)出光子帶隙的雙向移動(dòng)。研究者認(rèn)為，通過(guò)控制液晶盒厚、聚合溫度、可聚合單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、紫外光強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)條件，可定性地控制藍(lán)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(jìn)而制備出具有多種電場(chǎng)響應(yīng)特性的藍(lán)相液晶光子晶體。該種電場(chǎng)響應(yīng)型三維柔性液晶光子晶體薄膜材料的響應(yīng)時(shí)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(guó)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(jìn)展，制備了一種能夠高效屏蔽近紅外光、同時(shí)可見(jiàn)光透過(guò)率可通過(guò)溫度和電場(chǎng)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(yáng)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(jiàn)光或近紅外光，主要原因在于對(duì)可見(jiàn)光調(diào)控的材料與對(duì)近紅外光調(diào)控的材料之間存在界面不兼容的問(wèn)題。若能夠解決上述兩類(lèi)材料之間的界面兼容性問(wèn)題，則有望實(shí)現(xiàn)調(diào)控能力覆蓋可見(jiàn)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(guò)合作研究，通過(guò)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(guò)渡層，實(shí)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(wèn)題。課題組利用氧化銦錫納米粒子對(duì)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(shí)，利用具有近晶相～膽甾相相變液晶材料對(duì)溫度和電場(chǎng)的雙重響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)了溫度和電場(chǎng)兩種方式對(duì)薄膜可見(jiàn)光透過(guò)率的調(diào)節(jié)。

納米粒子改型路線(xiàn)、薄膜處于不同狀態(tài)時(shí)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(chǎng)作用下的實(shí)物照片

  此外，在制備薄膜的過(guò)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(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在不影響薄膜低溫透明態(tài)對(duì)可見(jiàn)光透過(guò)率的同時(shí)，賦予了薄膜很好的粘結(jié)強(qiáng)度，有利于實(shí)現(xiàn)大面積柔性薄膜的輥對(duì)輥加工制備，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)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(guó)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