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Nat. Commun.：清華劉碧錄團隊開發出二維材料光學各向異性水凝膠

來源：清華大學新聞網      2022-11-09
導讀：近日，清華大學深圳國際研究生院劉碧錄副教授團隊利用磁場控制二維鈷摻雜氧化鈦液晶的取向，制備出一種具有大雙折射值的光學各向異性水凝膠。這種磁場控制方法具有無損、高度均勻等優點，可實現各向異性的精確調控。相關研究成果近日以“一種基于二維材料且具有可控干涉色的透射式水凝膠”（A 2D material–based transparent hydrogel with engineerable interference colours）為題發表在期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
水凝膠是一種由親水性聚合物鏈交聯而成的三維網絡，具有良好的彈性、生物兼容性及刺激響應性等特點，廣泛應用于生物醫學、柔性設備、智能器件等領域。近年來，研究人員發現在水凝膠中引入各向異性結構會為其帶來一系列新奇的理化特性及應用，如雙折射及相應的干涉色。相比傳統染料著色，干涉色更加逼真，并具有寬色域、高耐用性等優勢，應用前景廣闊。在水凝膠中引入各向異性的常見方法包括機械應力輔助、自組裝、電場控制及3D打印等技術，但這些方法的均勻性及可控性較差，且會對材料造成損傷。同時受限于較小的雙折射，現有報道的光學各向異性水凝膠只能展現出黑白變化，限制了其在光學領域的應用。

針對以上挑戰，清華大學深圳國際研究生院劉碧錄副教授團隊利用磁場控制二維鈷摻雜氧化鈦液晶的取向，制備出一種具有大雙折射值的光學各向異性水凝膠。這種磁場控制方法具有無損、高度均勻等優點，可實現各向異性的精確調控。同時，得益于二維結構極大的幾何徑厚比及磁化率各向異性，二維鈷摻雜氧化鈦液晶具有靈敏的磁響應，在小磁場下可高度有序排列，從而賦予水凝膠較大的雙折射。
研究人員首先通過離子插層法制備了二維鈷摻雜氧化鈦液晶，而后在磁場下調控二維無機液晶分子的有序排列，再利用原位光聚合反應將各向異性引入水凝膠中。由于二維鈷摻雜氧化鈦液晶具有巨磁致雙折射效應，故水凝膠制備過程所需的磁場強度較低（<1T），并且水凝膠的雙折射達到10-4，比現有報道值大一個數量級以上。這一大雙折射可實現干涉色的寬光譜覆蓋，且不同的干涉色可通過控制磁場、二維無機材料液晶濃度、光程及機械應力等多種參量進行調控，調控方法的多樣性及顏色的豐富性使得此類水凝膠的個性化光學應用成為可能。基于這種各向異性水凝膠，研究人員制造并演示了一系列光學原型器件，包括光學相位延遲器、梯度光學衰減器、磁性透明彩色成像儀和可視化應力及溫度探測器等，這為偏振光學領域的諸多應用如定制化光學元件、視覺增強設備、防偽標簽等提供了新思路。

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圖1. 基于二維無機材料液晶的各向異性水凝膠制備

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圖2. 水凝膠光學各向異性表征

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圖3. 透射式干涉色演化

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圖4. 二維材料各向異性水凝膠光學應用展示
相關研究成果近日以“一種基于二維材料且具有可控干涉色的透射式水凝膠”（A 2D material–based transparent hydrogel with engineerable interference colours）為題發表在期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
論文通訊作者為劉碧錄，第一作者為清華大學深圳國際研究生院丁寶福博士和2017級碩士研究生曾鵬源，論文作者還包括清華大學深圳國際研究生院2019級博士研究生黃子陽，博士后代立新，科研助理蘭天姝、徐浩、潘意坤，羅雨婷博士，余強敏博士，成會明教授。該研究得到國家自然科學基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創委等部門的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26587-z
參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/99665.htm


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