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电场操控双相液体形态变革，智能窗技术迎新突破

双相液体虽能形成多种稳定态（如润湿膜、液滴等），但实现形态间快速可逆转换一直面临根本性矛盾：促进快速形变的特性（如低界面张力）会加速状态弛豫，导致临时态无法长期维持。这一瓶颈限制了双相液体在动态可调光学超材料等领域的应用潜力。

美国康奈尔大学Nicholas L. Abbott团队在《自然》发表突破性成果，报道了一种由各向同性油（DS，邻苯二甲酸二辛酯和角鲨烷的混合物）与液晶（E7）组成的双相液体系统。该系统通过瞬态电场操控，可实现微区形态的快速可逆转换：低频电场（10 Hz）将润湿膜转化为由液晶拓扑缺陷稳定的球形乳液态（寿命>24小时），而高频电场（1 kHz）触发孤子介导的液滴聚并，3秒内恢复原始润湿膜。该技术实现了非连续电场下的双稳态光学切换，为智能窗与光学超材料开辟新路径。

电场驱动的形态切换机制

图1揭示了系统的基础状态与电场响应：DS油因正铺展系数（S = 0.21 ± 0.08 mN/m）在氧化铟锡（ITO）电极上形成连续润湿膜（厚度~10 μm），诱导上方E7液晶垂直排列，使系统透光率达98.8%（600 nm）。施加低频电场（10 Hz, 2.5 V/μm）后，液晶相内涡流产生剪切力，使DS膜形成泰勒锥并断裂为液滴（直径2.6 ± 0.6 μm）。这些液滴通过土星环缺陷（拓扑电荷-1/2）发生四极吸引聚并，但当直径达15.9 ± 3.2 μm时，缺陷转变为双曲线刺猬缺陷（拓扑电荷-1），触发液滴链化与短程排斥，形成可稳定24小时以上的散射乳液态（透光率降至20.3%）。

图1：低频电场下液晶（LC）覆盖的各向同性油润湿膜快速转化为长效乳液 a 本研究使用的液晶相（E7）、盐（TBAB）和各向同性油相（DS）的分子结构。 b 含LC和各向同性油的样品瓶实物图。 c 单偏振片下观测的DS/E7混合物润湿膜状态光学显微图（x-y俯视图和x-z侧视图）。左上角插图为正交偏振片下的显微照片。 d 施加电场（2.5 V·μm⁻¹, 10 Hz）期间DS/E7混合物的光学显微图（俯视与侧视）。乳液在电场启动0.5秒内形成，总施加时长3秒。 e 关闭电场（同d条件）10分钟后分散于E7中的DS液滴显微图。c-e俯视图左下角插图为框选区域放大图；e侧视图与c/d非同一焦平面（e侧视插图为Moticam 10.0 MP拍摄，其余侧视图由Chronos高速相机拍摄）。各侧视图下方为对应状态示意图。 f 侧视图显示的E7中DS液滴伴随双曲线刺猬缺陷的光学显微图（上）及示意图（下）。所有实验E7含5×10⁻⁵% wt/vol TBAB。比例尺：50 μm (c-e)；20 μm (e插图)；10 μm (f)。

图2展示了高频电场对乳液的逆转：施加1 kHz、0.6 V/μm电场后，带点缺陷的DS液滴在3秒内快速聚并（图2a-d）。关键证据来自液滴对实验：带点缺陷的液滴对在电场下1秒内聚并（图2e），而带土星环缺陷的液滴仅缓慢吸引（图2f-g）。进一步观测发现，电场使点缺陷液滴沿垂直电场方向形变（图2h），且孤子介导的液滴间作用力（0.44 ± 0.03 nN）远超电偶极相互作用（<0.1 nN）（图2i）。

图2：高频电场将各向同性油/LC长效乳液快速恢复为润湿膜 a 因DS液滴间拓扑缺陷稳定的DS/E7乳液俯视图。 b 施加电场（0.6 V·μm⁻¹, 1 kHz）0.5秒后乳液发生显著聚并。 c 电场启动6秒后聚并基本完成，残留DS液滴正与ITO电极固着液滴融合。 d 撤去电场后DS润湿膜自发铺展恢复。a-d各图下方为侧视示意图，电场开关速率0.3 m/s。 e 施加电场1秒前后，带拓扑点缺陷的DS液滴对俯视图（明/暗点分别为液滴上/下方缺陷）。 f 带土星环缺陷的DS液滴对在同等电场下的响应。 g e和f中液滴对的表面间距随时间变化（阴影区为3次测量标准差）。 h 三个DS液滴在电场（0.6 V·μm⁻¹, 1 kHz）前后的形变（左：无场；右：有场）。 i 两个DS液滴（直径20 μm，表面距5 μm）的孤子作用力与电偶极力计算值对比。所有实验E7含5×10⁻⁵% wt/vol TBAB。比例尺：100 μm (a-d)；20 μm (e,f,h)。

图3阐明孤子介导的聚并机制：高频电场使点缺陷附近形成瞬态孤子（图3a-b），其高弹性能量密度驱动其向缺陷收缩。当两个液滴表面间距<14 μm时，孤子桥接二者（图3c-f），收缩过程中钉扎点缺陷，将液滴拉向聚并。理论模型预测液滴相对速度为88.7 ± 10.0 μm/s，与实验值（29 ± 13 μm/s）量级一致。该机制同样适用于四聚体等高阶团簇（图3g-h）。聚并后，DS液滴通过介电泳或弹性作用与电极上固着液滴融合，关闭电场后铺展恢复润湿膜。

图3：孤子介导的动力学路径实现LC中油微滴快速聚并 a 单液滴点缺陷附近孤子形成与收缩的侧视图（电场：0.6 V·μm⁻¹, 1 kHz）。 b a图中孤子（紫色）形成示意图，LC指向矢分布如线所示。 c 电场下带点缺陷的DS液滴对经孤子桥接驱动聚并的俯视图（明/暗点代表缺陷位置）。 d c图液滴示意图。 e 孤子桥接两液滴引发聚并的侧视图（电场条件同c）。 f e图液滴示意图。 g 四个反平行排列DS液滴在电场（0.6 V·μm⁻¹, 1 kHz）下经孤子桥接聚并的俯视图。 h g图液滴示意图。所有图像为单偏振片拍摄。E7含5×10⁻⁵% wt/vol TBAB。比例尺：10 μm (a,c)；20 μm (e,g)。

光学应用验证

图4展示了系统的光学调控能力：原始润湿膜态下，光学片透光率达98.8%（图4a,c），视野清晰；低频电场触发乳化后，透光率降至20.3%，完全遮蔽后方物体（图4b,c）。通过调节电压频率可实现透光率连续调控（图4d），且两种状态在无电场下可稳定维持24小时（图4f）。系统支持反复切换（图4e），优化参数（1.25 V/μm, 5 Hz乳化；1 V/μm, 1 kHz恢复）后具备实际应用潜力。

应用展望

该研究首次在液体微区实现了类形状记忆固体的双稳态切换，其快速可逆、长效稳定的特性有望推动智能窗技术革新。通过引入染料或调节油相组成，可进一步开发动态显色、吸热调控等功能，为主动伪装、虚拟现实及建筑节能隐私窗提供新解决方案。同时，流体微区模板也为材料合成与微化学系统重构创造了新机遇。

图4：基于形状记忆微域双相液体的可调光片 a,b 透光润湿膜态（a, 1 kHz/0.6 V·μm⁻¹）与散射乳化态（b, 10 Hz/2.5 V·μm⁻¹）下通过光学片（40 mm×50 mm×100 μm）观测140米外钟楼的效果。 c 乳化态（蓝线）与润湿膜态（黑线）在380-700 nm波长范围的透光率。插图为30 cm外QR码在两种状态的显示效果。 d 通过电压/频率调节不透明态透光率（N=5，误差棒为透光率标准差，数据为撤场10分钟后测量值）。 e 光学片在乳化态与润湿膜态间的可逆切换。 f 乳化态（N=3）与润湿膜态（N=3）透光率（600 nm）的24小时稳定性。所有实验E7含5×10⁻⁵% wt/vol TBAB。

来源：高分子科学前沿

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