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宾夕法尼亚大学杨澍教授团队《Adv. Mater.》: 手性液晶微液滴的优化和应用

时间：2022-12-30 来源：浏览：

宾夕法尼亚大学杨澍教授团队《Adv. Mater.》: 手性液晶微液滴的优化和应用

原创化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#智能响应行为 3 个

#手性 14 个

#结构色 6 个

#柔性显示 3 个

#信息编码 2 个

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手性液晶微液滴提供了一种可以被规模化合成的结构色材料，其结构色来源于液晶分子在液滴内的手性有序结构。然而普通液滴的显色范围小，颜色弱，极大地制约了其在实际生活中的应用。

近期，宾夕法尼亚大学材料科学与工程系 杨澍教授团队 ，联合宾夕法尼亚大学化学系 Christopher B. Murray 教授团队 设计了一种新型结构的双面手性液晶微液滴，并利用磁场远程控制液滴显色的开关状态。该研究设计了一种新型结构的双面手性液晶微液滴,将微液滴的结构色面积提高了十多倍，并且可以利用重力作用实现颜色的自恢复，利用磁场实现颜色的开关，促进了基于微液滴的结构色在柔性显示，磁感探针，信息编码及防伪等方面的应用。该工作以 “Janus Microdroplets with Tunable Self-recoverable and Switchable Reflective Structural Colors” 为题发表在 Advanced Materials 上。文章第一作者是宾夕法尼亚大学博士后 刘明珠博士 。



研究者首先利用氯仿作为共溶剂将液晶组分和硅油组分溶解在氯仿中，并利用微流控装置制备成大小均一的液滴（图1a）。随后，液滴被分散在聚乙烯醇（PVA）水溶液中并利用加热的方式将氯仿在通风橱中挥发，导致液滴中的液晶组分和硅油组分相分离形成双面液滴。由于溶液中的聚乙烯醇促进液晶组分的表面取向，同时液晶组分中的手性单体促进有序手性液晶相的形成，从而展示出结构色（图1b）。由于微液滴的双面结构，当从不同方向观察液滴时，白光从不同的界面反射而产生不同的光学效果。当光照向硅油一侧时，由于反射界面液晶的特殊排列以及半球状硅油的光学效应，反射光斑呈现出一个条带状。与直接被液晶微液滴面反射相比，这种情况下反射光的面积提高至约14倍。通过调控液晶组分中手性分子的浓度，结构色可以调控呈现在红色至紫色之间的各种颜色（图1c）。

图1.双面微液滴的合成(a-b)和颜色调控(c)。

由于液晶相和硅油相的密度不同，在重力作用下，液滴的液晶相转至下方而硅油相转至上方（图2a ）。当液滴分散于两片塑料薄膜之间制备柔性颜色显示屏并且被弯折时，颜色会短暂消失。但在重力作用下原来显示的颜色几秒后又会复原。因此，研究者进一步将磁性纳米粒子引入到微液滴的液晶相，利用磁场来克服重力的影响，从而控制液滴的取向。这样显示屏上的结构色可以在外加磁场条件下在“开”和“关”之间进行切换（图2b ）。

图2.双面微液滴颜色自恢复(a)和磁控开关(b)。

此外，由于液滴的转向和恢复需要一定的时间，磁场响应的微液滴悬液也可用于制备探测显示器以此检测磁性物质的速度（图3a ）。当磁性物质的移动速度比液滴的恢复速度要慢时，探测显示器显示的图案与磁性物质的形状比较类似；当磁性物质的移动速度过快时，显示器则显示“拖尾”。因此，根据图案的形状，我们可以推测磁性物质的移动速度。最后，研究者将磁场响应性和非磁场响应性的微液滴悬液混合在一起，制备成具有多个像素点的显示器（图3b ）。通过预先编码每个像素点的颜色和响应性，处于相同初始颜色状态的显示器可以在磁场下显示截然不同的像素码信息。

图3.基于双面微液滴的磁性物质探针(a)和信息加密(b)。

作者简介

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杨澍教授 , 宾夕法尼亚大学 Joseph Bordogna 讲席教授，材料科学与工程系系主任，化学与生物分子工程系兼职教授。课题组围绕材料合成，微纳米制造，和器件加工等前沿交叉领域，研究兴趣包含围绕表界面现象的基础科学问题，制动及其机械原理，和结构 - 性能构效关系等。通过控制高分子及其寡聚物，胶体粒子，液晶，两亲性分子及其复合物在多尺度的可控组装，课题组开发具有特殊光学和机械性能的复杂多组分功能微纳米结构，并研究相关材料在表面处理，智能窗户，智能家居，干 / 湿可逆强力粘胶，生物探针，医学器件，像素伪装，仿生柔性软体机器人，及可穿戴设备等领域的应用。