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  寬譜帶光管理在軍事隱身，光學(xué)信息通信和節(jié)能建筑中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但是，傳統(tǒng)光學(xué)玻璃，從無機(jī)玻璃到有機(jī)玻璃，都存在易碎和易刮傷的問題，也很少能對環(huán)境變化進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。近年來開發(fā)的智能窗戶材料，包括金屬氧化物和有機(jī)熱致變色/電致變色復(fù)合材料等，則只能在窄的可見光譜范圍內(nèi)調(diào)節(jié)透明度，同時(shí)仍然受到力學(xué)脆弱性和復(fù)雜加工要求的限制。它們在光學(xué)和力學(xué)方面缺點(diǎn)的主要來源是，單一材料內(nèi)部往往只有單一的光響應(yīng)位點(diǎn)和單原子的橋接網(wǎng)絡(luò)，例如，過渡金屬氧化物在原子層面上通過電荷的注入和去除實(shí)現(xiàn)在透明和不透明狀態(tài)之間的切換；液晶材料則通過調(diào)節(jié)介觀有序度來改變可見光透射率；刺激響應(yīng)水凝膠通過幾十到幾百納米尺度的可逆相分離實(shí)現(xiàn)可見光透過率的調(diào)節(jié)。目前很少有單一材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能從納米到微米尺度可控調(diào)節(jié)定制， 也很少實(shí)現(xiàn)同時(shí)管理從紫外-可見-紅外的寬譜帶光，人們必須集成多種材料并折衷于復(fù)雜的多層處理。武培怡課題組以簡便的方式調(diào)節(jié)材料的多尺度微納結(jié)構(gòu)，從而在新一代的光學(xué)玻璃上實(shí)現(xiàn)更豐富可調(diào)的光學(xué)和力學(xué)性能，拓展材料在生物安全、軍事隱身、和節(jié)能環(huán)保方面的應(yīng)用。

  這項(xiàng)工作通過調(diào)節(jié)分子的親疏水性，實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)從納米到微米的多尺度定制，制備了可實(shí)現(xiàn)紫外-可見-紅外寬譜帶光管理的新型水玻璃，并且在可見光范圍內(nèi)可設(shè)計(jì)響應(yīng)溫度，有望開發(fā)一種紫外光安全、紅外隱身、冬暖夏涼的智能窗戶。相關(guān)工作以”Hierarchical Network-Augmented Hydroglasses for Broadband Light Management”為題近期發(fā)表在國產(chǎn)期刊Research上（Research, vol. 2021, Article ID 4515164, ）

  雷周玥博士通過兩親性修飾傳統(tǒng)有機(jī)玻璃的化學(xué)結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種多層級網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的水玻璃（Hierarchical Network-Augmented Hydroglasses, HNAH），其中保留了α-甲基特征， 而有機(jī)玻璃中的酯基被親水性可調(diào)的羧基取代。通過調(diào)節(jié)兩親性，單體前驅(qū)體溶液中出現(xiàn)可控的液液分離，從而可以通過限域聚合（Locally Confined Polymerization，LCP）在水玻璃中設(shè)計(jì)多層級網(wǎng)絡(luò)。LCP與普通聚合反應(yīng)不同，普通聚合反應(yīng)中分子鏈通常是在均相體系中增長和交聯(lián)。而LCP將聚合物鏈限制在局部的兩親域中的增長，形成多層級相分離網(wǎng)絡(luò)，從而優(yōu)化光學(xué)和力學(xué)性能。所制備的HNAH被納米至微米多尺度的聚合物域物理交聯(lián)。它不僅可以可逆地切換可見光區(qū)域的透射率，阻擋紫外和紅外光，還具有缺口不敏感性、自我修復(fù)斷裂和劃痕的功能。

圖1. 水玻璃的多層級結(jié)構(gòu)的形成過程及表征。

圖2. 多層級結(jié)構(gòu)水玻璃的力學(xué)特征。其多尺度物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了自修復(fù)功能和缺口不敏感性。

圖3. 多層級結(jié)構(gòu)水玻璃的劃痕自修復(fù)效果以及寬范圍可調(diào)的溫度響應(yīng)特征。

圖4. 從二維相關(guān)光譜的角度進(jìn)一步分析了多層級結(jié)構(gòu)水玻璃的分子機(jī)制、結(jié)構(gòu)演變以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)原理。

圖5. 多層級水玻璃的紫外線屏蔽效果。

圖6. 多層級水玻璃的紅外隱身效果以及模擬智能窗戶的降溫效果。

  這項(xiàng)工作中通過LCP方法開發(fā)了具有多層級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多功能智能窗戶材料HNAH。具有從納米到微米的多尺度多層級網(wǎng)絡(luò)的HNAH與普通均質(zhì)透明玻璃不同，在室溫下，它在可見區(qū)域具有很高的透明度，可以管理三個(gè)數(shù)量級的光波長，阻擋紫外波段的光，紅外隱身，在高溫下自動(dòng)變色實(shí)現(xiàn)智能降溫。此外，它還具有增強(qiáng)的力學(xué)性能，具有彈性，抗缺口性和自我修復(fù)能力。此外，這項(xiàng)工作還討論了LCP和光管理過程中的分子相互作用和結(jié)構(gòu)演變。關(guān)鍵的影響因素是其兩親性結(jié)構(gòu)，尤其是α-甲基結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了LCP，而且還促進(jìn)了相變過程中的結(jié)構(gòu)演變。進(jìn)一步地，LCP策略和分子機(jī)制也可能適用于其他光管理材料，從有機(jī)液晶到無機(jī)氧化物，進(jìn)行多尺度微納結(jié)構(gòu)的定制，實(shí)現(xiàn)從紫外到紅外區(qū)域的寬譜帶光管理，促進(jìn)智能窗戶的發(fā)展，有益人類健康、減少建筑能耗并解決環(huán)境問題。

  該課題得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51973035）和重點(diǎn)項(xiàng)目 (51733003) 的資助與支持。文章第一作者為雷周玥博士，通訊作者為武培怡教授。

  論文鏈接 https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/4515164