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光學工程
全波長響應的液晶與微納復合材料

刺激響應材料的驅動方式是多種多樣的,主要有力、熱、光、電、磁、化學等。其中,光既是一種公認的清潔能源,又可快速、精確地實現遠程操控,因此光致形變材料吸引了科學家的極大興趣。傳統的光響應液晶彈性體材料依賴體系中的偶氮苯分子,其在紫外光輻照下發生順反異構或者液晶有序性改變來激發宏觀上形變,由于紫外光的使用限制了其在生物等領域的應用。為了拓寬材料的應用領域,設計一種全波長響應、甚至能夠直接被太陽光驅動的智能材料具有重大的意義。

近日,北京大學工學院特聘研究員于海峰課題組成功制備出一種在近紅外光—可見光—紫外光區域全波長驅動的液晶-微納復合薄膜。研究成果發表在學術期刊ACS Applied Materials & Interfaces [7, 27494-27501(2015)]上。

研究團隊巧妙地將液晶和氧化石墨烯結合在一起,成功地制備出了全波長光驅動的液晶與微納復合聚合物膜。在可見光—近紅外光的照射下,氧化石墨烯可以作為光吸收劑和納米級的熱源,將光能轉化為熱能,引起體系溫度升高,微米級分散的液晶發生熱致相轉變過程,使復合薄膜發生快速的光致彎曲行為,將熱能轉化為機械能。在紫外光的照射下,混合液晶中的染料分子產生反式到順式構型的變化,誘導液晶體系發生從液晶到各向同性的相轉變,將光能轉化為化學能。由于液晶分子間的協同效應,整個液晶體系會發生等溫相變過程,使復合膜發生相似的彎曲運動,將化學能轉化為機械能。通過光熱作用和光化學作用的有機結合,使全波長響應的液晶與微納復合膜得以實現。

圖 1液晶-石墨烯微納復合材料的近紅外-可見光-紫外光響應驅動示意圖

研究人員進一步探究液晶與微納復合膜在太陽光下的驅動性能。如下圖的動畫所示,在自然光下復合薄膜依然能夠產生快速的、大形變量的光致彎曲行為(2015年10月拍攝于工學院1號樓門前)。這為太陽能轉化為人類可直接使用的機械能提供了一條可行的路徑。

動畫01 液晶與微納復合材料在近紅外光下的響應

動畫02 液晶與微納復合材料在自然光下的響應(2015年10月拍攝于工學院1號樓門前)


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