本文由論文作者團(tuán)隊(duì)（課題組）投稿

人類文明與光的應(yīng)用有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展擴(kuò)大了人們對(duì)陽(yáng)光的應(yīng)用并普及了人工照明。但是，不恰當(dāng)?shù)墓廨椛湟矔?huì)對(duì)類健康和福祉造成傷害。窗戶作為外部光線進(jìn)入內(nèi)部的重要通道，在建筑物、車輛和飛機(jī)的光線調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用。人們亟需具有可切換光學(xué)功能的窗戶，以防止或減弱不適當(dāng)?shù)墓廨椛鋵?duì)人眼和光敏儀器的損害或干擾。

近年來(lái)，智能材料實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展，能提供智能光防護(hù)功能的透明材料引起了研究人員的廣泛關(guān)注。在這種情況下，液晶(LCs)，由于其豐富的響應(yīng)性和獨(dú)特的光學(xué)特性，被認(rèn)為是先進(jìn)的智能光防護(hù)材料的最佳候選者之一。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)紅外薄膜與晶體團(tuán)隊(duì)提出了一種應(yīng)對(duì)復(fù)雜光環(huán)境實(shí)現(xiàn)快速光防護(hù)的智能光限幅組裝體。該材料是一種在復(fù)雜環(huán)境中快速響應(yīng)，具備光能轉(zhuǎn)換、對(duì)高能光線反射或散射路徑轉(zhuǎn)移的功能的自適應(yīng)光學(xué)材料。通過(guò)賓-主效應(yīng)、米氏散射以及布拉格反射對(duì)光密度的調(diào)控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)光學(xué)調(diào)制的可編程設(shè)計(jì)?？蓱?yīng)用于瞬時(shí)變色、視覺(jué)成像以及柔性顯示等領(lǐng)域。

該團(tuán)隊(duì)以“Advanced liquid crystal-based switchable optical devices for light protection applications: principles and strategies”為題在Light : Science & Applications發(fā)表綜述文章。張銳聰為本文的第一作者，王天宇和朱嘉琦為本文的共同通訊作者。

圖1 智能光限幅組裝體

文中對(duì)基于液晶的可切換光學(xué)器件的光防護(hù)應(yīng)用進(jìn)行了全面評(píng)估。

首先討論了基于液晶的光防護(hù)所面臨的特定光環(huán)境以及現(xiàn)有的光防護(hù)策略。根據(jù)來(lái)源，光輻射可分為自然光和人造光。太陽(yáng)光的波長(zhǎng)范圍寬（250nm-2500nm），輻射角度變化大，照射面積大。激光具有功率高、波長(zhǎng)窄、反應(yīng)快的特點(diǎn)。其他高強(qiáng)度照明，如天燈和射燈，其響應(yīng)速度與激光相同，光譜范圍比激光寬。與傳統(tǒng)的電子控制變色材料相比，液晶材料在響應(yīng)時(shí)間和保護(hù)帶寬方面顯示出優(yōu)越性。液晶材料是光防護(hù)的優(yōu)秀候選材料，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖碳囟群涂梢?jiàn)光透射率方面比傳統(tǒng)的熱變色材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖2 主/被動(dòng)光防護(hù)技術(shù)的性能比較

其次，介紹了幾類基于液晶材料的光調(diào)制原理。從光能的角度來(lái)看，液晶材料的光防護(hù)原理有三類：

1）將入射光能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量；

2）通過(guò)反射路徑轉(zhuǎn)移入射光能；

3）通過(guò)散射路徑轉(zhuǎn)移入射光能。

討論了這三種類型的光防護(hù)原理在光防護(hù)裝置中各自的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用。然而，在復(fù)雜的光學(xué)環(huán)境下，全面的保護(hù)往往需要多種機(jī)制的耦合。對(duì)不同光環(huán)境下的光保護(hù)策略提出建議。當(dāng)在車輛上應(yīng)用光保護(hù)裝置時(shí)，有必要關(guān)注瞬時(shí)的光保護(hù)策略，而對(duì)于建筑物來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期的光保護(hù)策略是合適的。

圖3 (a) 傳統(tǒng)擋光板 (b) 局部變化的防護(hù)策略

建筑物中的窗戶處于固定位置，長(zhǎng)時(shí)間暴露在陽(yáng)光下且窗戶面積遠(yuǎn)大于車輛中的光窗。這些不同的使用情況對(duì)建筑物的防光設(shè)備提出了新的要求：低成本和大面積的制造，低能耗的長(zhǎng)期運(yùn)行，以及紅外調(diào)制能力。研究人員使用柔性基材代替玻璃，制備出低成本、大面積聚合物/液晶材料。為了降低能耗，進(jìn)一步調(diào)制紅外，研究人員將智能窗與太陽(yáng)能電池耦合，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。

圖4 (a) 卷對(duì)卷制備過(guò)程示意圖 (b) 發(fā)光太陽(yáng)能聚光器工作原理圖 (c) 太陽(yáng)能電池(ST-PSC)與聚合物/液晶材料(LCPC)耦合器件

總結(jié)與展望

盡管已經(jīng)研究了多種類型的液晶光防護(hù)器件，但用于實(shí)際應(yīng)用的仍十分有限。

第一，開(kāi)發(fā)出能夠適應(yīng)不同外部環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的液晶光防護(hù)器件具有挑戰(zhàn)性。成熟的液晶光防護(hù)器件應(yīng)具備高紫外輻射容限和電化學(xué)穩(wěn)定性。

第二，缺乏能靈活適應(yīng)不同外部環(huán)境需求的液晶光防護(hù)器件。在不同場(chǎng)景下，透明材料的光防護(hù)器件需要兼具主、被動(dòng)防護(hù)策略。

第三，這些技術(shù)在商業(yè)化進(jìn)程中面臨在擴(kuò)大裝置規(guī)模的同時(shí)保證良好的尺度穩(wěn)定性與均勻性的挑戰(zhàn)。

我們期望新一代智能光限幅組裝體能徹底解決上述問(wèn)題。在復(fù)雜環(huán)境中快速響應(yīng)，兼容光能轉(zhuǎn)換、對(duì)高能光線反射或散射路徑轉(zhuǎn)移等多機(jī)制。不僅能提供多個(gè)波段的保護(hù)，而且能在復(fù)雜的環(huán)境中快速反應(yīng)，滿足建筑物以及交通載具上對(duì)可切換光防護(hù)材料及器件的需求。

主要作者

張銳聰，本文第一作者，現(xiàn)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所攻讀博士學(xué)位，主要從事光電薄膜的研究工作。

通訊作者

王天宇，哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院副教授，中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年理事，多年來(lái)從事多相流流動(dòng)與透明件特種防護(hù)仿真研究，獲國(guó)家自然科學(xué)基金委、黑龍江省科技廳、中國(guó)航空研究院等經(jīng)費(fèi)支持，發(fā)表論文40余篇。

朱嘉琦，哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院教授、博導(dǎo)，長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，國(guó)家杰出青年基金，科技部重點(diǎn)專項(xiàng)、科工局科技創(chuàng)新領(lǐng)域?qū)＜?，高效焊接新技術(shù)國(guó)家工程研究中心副主任。主要從事晶體及薄膜等研究，擔(dān)任中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程分會(huì)副主任，中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)極端材料與器件分會(huì)副主任，中國(guó)儀表材料學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng), Functional Diamond、Advanced Materials & Devices副主編，表面技術(shù)、人工晶體學(xué)報(bào)、中國(guó)表面工程、低溫與真空、功能材料、材料科學(xué)與工藝等雜志編委，獲得中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、省青年五四獎(jiǎng)?wù)碌葮s譽(yù)，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家專利金獎(jiǎng)1項(xiàng)，黑龍江省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。獲授權(quán)發(fā)明專利82項(xiàng)(轉(zhuǎn)讓21項(xiàng))，在SCIENCE, ADVANCED MATERIALS等知名刊物發(fā)表200余篇學(xué)術(shù)論文，出版學(xué)術(shù)專著2部，譯著1部。

| 論文信息 |

Zhang, R., Zhang, Z., Han, J. et al. Advanced liquid crystal-based switchable optical devices for light protection applications: principles and strategies. Light Sci Appl 12, 11 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-01032-y

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