中国青年学者一作！最新《自然·通讯》: 新型力致变色薄膜

未来的窗户不仅仅是透明玻璃，它们将成为智能调控光线、温度和隐私的全能助手。如今，城市中超过50%的能源消耗源自建筑物的日常运行，尤其是温度和照明控制，因此设计更加高效的窗户已成为亟待攻克的挑战。

尽管液晶和热致变色薄膜等传统智能窗户技术已经有所应用，但它们在环保性、成本和响应速度方面的局限仍待突破。而力致变色薄膜则以其简单的成分、低廉的成本和极快的响应速度脱颖而出。当材料被拉伸时，其内部结构迅速变化，窗户能够在毫秒内从透明变为乳白色，灵活调节光线。特别是，一旦机械刺激被施加以实现所需的光学特性，保持透明或不透明状态无需额外能量消耗。然而，目前的力致变色技术需要材料达到15%以上的拉伸应变，才能有效改变透光率。这意味着对一米宽的窗户而言，材料必须被拉伸超过15厘米，才能实现显著的光学调节，极大限制了其实际应用。

针对这一问题，韩国高丽大学的Seokwoo Jeon教授团队与韩国科学技术院的Jung-Wuk Hong教授和Jonghwa Shin教授展开合作，提出了一种通过厚度方向压力激活的新型变色薄膜。当没有施加压力时，硅弹性体中的微孔会散射光线，使薄膜呈乳白色；而在压缩作用下，孔洞闭合，薄膜则迅速变得透明。通过将激活方式从传统的平面拉伸改为厚度压缩，这项技术巧妙地将光学调节与横向尺寸解耦，仅需0.05毫米的微小变形，就能实现动态光学调节，不再受窗户尺寸限制。

为了进一步优化这项技术，研究团队利用基于衍射自成像效应的三维光刻技术制造出高度有序的孔洞倾角可控可调的三维结构；并通过实验和模拟结合，研究孔洞倾斜角度对性能的影响，研究表明，倾斜孔洞可以降低材料的有效模量，使应变更均匀分布，提升压力的传递效率。同时，释放时倾斜孔洞增强了光的散射，使得薄膜在受压状态下的透明度与竖直孔洞相似的情况下，表现出更大的透明度调节范围。优化后的薄膜不仅在极小变形下实现了94%的光学对比度调节和高达95%的透光率，而且即使经过10万次循环测试和长时间按压后，性能依然保持稳定。此外，这种智能膜还能局部调节任意区域的光学性质，这在传统通过拉伸应变激活的材料中是无法实现的。

这一突破性技术不仅具有广泛的应用潜力，能够推广至其他高分子弹性材料，还为智能窗户、微型光学设备、透明显示器和柔性传感器的开发提供了全新思路，未来前景十分广阔。

图1.基于倾斜多孔结构的3D散射体的设计概念，该结构通过厚度压缩加载。示意图展示了通过厚度压缩和面内拉伸加载3D散射体的不同工作机制和操作位移。示意图和数字图像展示了压缩加载的3D散射体在智能窗户中分别处于（b, d）释放后的隐私保护模式和（c, e）通过厚度压缩下的可见模式。

图2.通过厚度压缩模式散射体的制造和表征。(a) 示意图展示了使用棱镜形相位掩膜进行三维光刻工艺。电子显微镜SEM图像、FDTD模拟得到的衍射图案以及SEM对应的快速傅里叶变换频域图，分别为在入射角(b 和 c) 0°、(d和 e) 30° 和(f 和 g) 65° 时制备的倾斜三维结构。(h)示意图展示了从光刻胶模板一步制备智能光学薄膜的过程。

图3.透光率调节性能 (a) 基于不同结构倾角的光学薄膜透光率随压缩位移变化的曲线；插图展示了薄膜中多孔功能层和支撑层的各自厚度。(b)倾斜孔角度为40.3°的光学薄膜在不同压缩位移下的透光率。(c)超薄的智能光学薄膜放置在花和叶子上的照片。(d)对比本工作与文献报道中最先进的力致变色薄膜。(e)示意图展示了能够进行选区光学调制的3D散射体，可作为猫眼功能使用。（f）数字图像展示了通过3D散射体进行不同形状的光学调制。

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文章信息：

Chen, H., Chang, G., Lee, T.H.et al. Compression-sensitive smart windows: inclined pores for dynamic transparency changes. Nat Commun15, 8074 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52305-6

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52305-6#citeas

来源：高分子科学前沿

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