寬譜帶光管理在軍事隱身，光學信息通信和節能建築中發揮著至關重要的作用。但是，傳統光學玻璃，從無機玻璃到有機玻璃，都存在易碎和易刮傷的問題，也很少能對環境變化進行自我調節。近年來開發的智能窗戶材料，包括金屬氧化物和有機熱致變色/電致變色複合材料等，則只能在窄的可見光譜範圍內調節透明度，同時仍然受到力學脆弱性和複雜加工要求的限制。它們在光學和力學方面缺點的主要來源是，單一材料內部往往只有單一的光響應位點和單原子的橋接網絡，例如，過渡金屬氧化物在原子層面上通過電荷的注入和去除實現在透明和不透明狀態之間的切換；液晶材料則通過調節介觀有序度來改變可見光透射率；刺激響應水凝膠通過幾十到幾百納米尺度的可逆相分離實現可見光透過率的調節。目前很少有單一材料的內部結構能從納米到微米尺度可控調節定製， 也很少實現同時管理從紫外-可見-紅外的寬譜帶光，人們必須集成多種材料並折衷於複雜的多層處理。武培怡課題組以簡便的方式調節材料的多尺度微納結構，從而在新一代的光學玻璃上實現更豐富可調的光學和力學性能，拓展材料在生物安全、軍事隱身、和節能環保方面的應用。
這項工作通過調節分子的親疏水性，實現多孔結構從納米到微米的多尺度定製，製備了可實現紫外-可見-紅外寬譜帶光管理的新型水玻璃，並且在可見光範圍內可設計響應溫度，有望開發一種紫外光安全、紅外隱身、冬暖夏涼的智能窗戶。相關工作以」Hierarchical Network-Augmented Hydroglasses for Broadband Light Management」為題近期發表在國產期刊Research上（Research, vol. 2021, Article ID 4515164, ）
雷周玥博士通過兩親性修飾傳統有機玻璃的化學結構，開發了一種多層級網絡增強的水玻璃（Hierarchical Network-Augmented Hydroglasses, HNAH），其中保留了α-甲基特徵， 而有機玻璃中的酯基被親水性可調的羧基取代。通過調節兩親性，單體前驅體溶液中出現可控的液液分離，從而可以通過限域聚合（Locally Confined Polymerization，LCP）在水玻璃中設計多層級網絡。LCP與普通聚合反應不同，普通聚合反應中分子鏈通常是在均相體系中增長和交聯。而LCP將聚合物鏈限制在局部的兩親域中的增長，形成多層級相分離網絡，從而優化光學和力學性能。所製備的HNAH被納米至微米多尺度的聚合物域物理交聯。它不僅可以可逆地切換可見光區域的透射率，阻擋紫外和紅外光，還具有缺口不敏感性、自我修復斷裂和劃痕的功能。
圖2. 多層級結構水玻璃的力學特徵。其多尺度物理交聯網絡實現了自修復功能和缺口不敏感性。
圖3. 多層級結構水玻璃的劃痕自修復效果以及寬範圍可調的溫度響應特徵。
圖4. 從二維相關光譜的角度進一步分析了多層級結構水玻璃的分子機制、結構演變以及動態響應原理。
圖6. 多層級水玻璃的紅外隱身效果以及模擬智能窗戶的降溫效果。
這項工作中通過LCP方法開發了具有多層級網絡結構的多功能智能窗戶材料HNAH。具有從納米到微米的多尺度多層級網絡的HNAH與普通均質透明玻璃不同，在室溫下，它在可見區域具有很高的透明度，可以管理三個數量級的光波長，阻擋紫外波段的光，紅外隱身，在高溫下自動變色實現智能降溫。此外，它還具有增強的力學性能，具有彈性，抗缺口性和自我修復能力。此外，這項工作還討論了LCP和光管理過程中的分子相互作用和結構演變。關鍵的影響因素是其兩親性結構，尤其是α-甲基結構，不僅實現了LCP，而且還促進了相變過程中的結構演變。進一步地，LCP策略和分子機制也可能適用於其他光管理材料，從有機液晶到無機氧化物，進行多尺度微納結構的定製，實現從紫外到紅外區域的寬譜帶光管理，促進智能窗戶的發展，有益人類健康、減少建築能耗並解決環境問題。
該課題得到了國家自然科學基金面上項目（51973035）和重點項目 (51733003) 的資助與支持。文章第一作者為雷周玥博士，通訊作者為武培怡教授。
論文連結
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/4515164
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