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光学工程
全波长响应的液晶与微纳复合材料

刺激响应材料的驱动方式是多种多样的,主要有力、热、光、电、磁、化学等。其中,光既是一种公认的清洁能源,又可快速、精确地实现远程操控,因此光致形变材料吸引了科学家的极大兴趣。传统的光响应液晶弹性体材料依赖体系中的偶氮苯分子,其在紫外光辐照下发生顺反异构或者液晶有序性改变来激发宏观上形变,由于紫外光的使用限制了其在生物等领域的应用。为了拓宽材料的应用领域,设计一种全波长响应、甚至能够直接被太阳光驱动的智能材料具有重大的意义。

近日,北京大学工学院特聘研究员于海峰课题组成功制备出一种在近红外光—可见光—紫外光区域全波长驱动的液晶-微纳复合薄膜。研究成果发表在学术期刊ACS Applied Materials & Interfaces [7, 27494-27501(2015)]上。

研究团队巧妙地将液晶和氧化石墨烯结合在一起,成功地制备出了全波长光驱动的液晶与微纳复合聚合物膜。在可见光—近红外光的照射下,氧化石墨烯可以作为光吸收剂和纳米级的热源,将光能转化为热能,引起体系温度升高,微米级分散的液晶发生热致相转变过程,使复合薄膜发生快速的光致弯曲行为,将热能转化为机械能。在紫外光的照射下,混合液晶中的染料分子产生反式到顺式构型的变化,诱导液晶体系发生从液晶到各向同性的相转变,将光能转化为化学能。由于液晶分子间的协同效应,整个液晶体系会发生等温相变过程,使复合膜发生相似的弯曲运动,将化学能转化为机械能。通过光热作用和光化学作用的有机结合,使全波长响应的液晶与微纳复合膜得以实现。

图 1液晶-石墨烯微纳复合材料的近红外-可见光-紫外光响应驱动示意图

研究人员进一步探究液晶与微纳复合膜在太阳光下的驱动性能。如下图的动画所示,在自然光下复合薄膜依然能够产生快速的、大形变量的光致弯曲行为(2015年10月拍摄于工学院1号楼门前)。这为太阳能转化为人类可直接使用的机械能提供了一条可行的路径。

动画01 液晶与微纳复合材料在近红外光下的响应

动画02 液晶与微纳复合材料在自然光下的响应(2015年10月拍摄于工学院1号楼门前)


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