本文由論文作者團(tuán)隊（課題組）投稿

人類文明與光的應(yīng)用有著千絲萬縷的聯(lián)系?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展擴(kuò)大了人們對陽光的應(yīng)用并普及了人工照明。但是，不恰當(dāng)?shù)墓廨椛湟矔︻惤】岛透ｌ碓斐蓚?。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θ搜酆凸饷魞x器的損害或干擾。

近年來，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)隊提出了一種應(yīng)對復(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。通過賓-主效應(yīng)、米氏散射以及布拉格反射對光密度的調(diào)控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)光學(xué)調(diào)制的可編程設(shè)計。可應(yīng)用于瞬時變色、視覺成像以及柔性顯示等領(lǐng)域。

該團(tuán)隊以“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)來源，光輻射可分為自然光和人造光。太陽光的波長范圍寬（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)樗鼈冊诖碳囟群涂梢姽馔干渎史矫姹葌鹘y(tǒng)的熱變色材料具有明顯的優(yōu)勢。

圖2 主/被動光防護(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）通過反射路徑轉(zhuǎn)移入射光能；

3）通過散射路徑轉(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，有必要關(guān)注瞬時的光保護(hù)策略，而對于建筑物來說，長期的光保護(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，長時間暴露在陽光下且窗戶面積遠(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能電池耦合，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。

圖4 (a) 卷對卷制備過程示意圖 (b) 發(fā)光太陽能聚光器工作原理圖 (c) 太陽能電池(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，開發(fā)出能夠適應(yīng)不同外部環(huán)境長期穩(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。在不同場景下，透明材料的光防護(hù)器件需要兼具主、被動防護(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題。在復(fù)雜環(huán)境中快速響應(yīng)，兼容光能轉(zhuǎn)換、對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，中國顆粒學(xué)會青年理事，多年來從事多相流流動與透明件特種防護(hù)仿真研究，獲國家自然科學(xué)基金委、黑龍江省科技廳、中國航空研究院等經(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)，長江學(xué)者特聘教授，國家杰出青年基金，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)任中國機(jī)械工程學(xué)會表面工程分會副主任，中國材料研究學(xué)會極端材料與器件分會副主任，中國儀表材料學(xué)會副理事長,  Functional Diamond、Advanced Materials & Devices副主編，表面技術(shù)、人工晶體學(xué)報、中國表面工程、低溫與真空、功能材料、材料科學(xué)與工藝等雜志編委，獲得中國青年科技獎、省青年五四獎?wù)碌葮s譽(yù)，獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎1項(xiàng)，國家專利金獎1項(xiàng)，黑龍江省技術(shù)發(fā)明一等獎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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