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    武培怡教授團隊:多重響應的納米纖維素液晶纖維用于手性光學和先進織物
    2020-05-18  來源:高分子科技

      手性液晶結構(膽甾型)在生命體中普遍存在。復刻其獨特的結構和拓撲,構筑多功能光學材料已成為當前研究的熱點。纖維素納米晶(CNCs),一種生物質衍生且具有天然手性的納米棒狀材料,能夠自發的組裝成左旋的膽甾型液晶,在信息加密、光學編碼、光學數據存儲等領域有廣泛的應用前景。因為膠體液晶的液體流動屬性,構建類似生物體中具有長程、穩定的復雜膽甾型液晶結構是極具挑戰的。因此,目前CNCs形成的膽甾型液晶結構只有單一的膜形式。如何使人造膠體液晶在空間幾何中(球形幾何、圓柱幾何、不規則幾何等)獲得穩定、連續的拓撲構型是一個具有重要科學意義的課題。


      膽甾型液晶在球形幾何中擁有一個球對稱結構,這種結構導致全向光學特性,可用于三維光學掃描和成像,激光諧振器等。與之相比,圓柱幾何擁有一個無限延伸的軸對稱空間,膽甾型液晶在其中可形成獨特的液晶構型。但是,當CNCs溶液的注射流進入凝固浴中,由于液-液界面的界面能趨于最小化,導致液體管斷裂形成液滴。在凝固浴中形成一個連續、平滑的液體管用于CNCs膽甾型液晶的自組裝是十分困難的。因此,膽甾型液晶在圓柱幾何中的組裝行為和光學特性仍未被系統的研究。


      該工作提出了一種CNCs在原位形成的凝膠鞘中自組裝的方法,大規模制備具有連續芯-鞘結構的多層超液晶纖維。超液晶纖維擁有跨越多個尺度的復雜結構:長程的膽甾型液晶序(納米尺度)、三維拓撲構型:徑向放射狀構型和軸向麥穗狀構型(微觀尺度)和連續的芯-鞘結構(宏觀尺度)。海藻酸鈉和Ca2+在液-液快速凝膠化是超液晶纖維大規模制備的關鍵因素。超液晶纖維展現出CNCs納米棒的對齊穩定性、膽甾型液晶構型的可編程性,以及偏振光方向和強度的可控性。超液晶纖維在直線和圓偏振光學上具有前所未有的可調控性,提供了一個有吸引力的纖維狀材料平臺。相關工作近期以“Bioinspired Hierarchical Liquid-Metacrystal Fibers for Chiral Optics and Advanced Textiles”為題被 Advanced Functional Materials接收。


    圖1. CNCs在原位形成的凝膠鞘中自組裝示意圖。


      1. 管狀幾何約束,促使CNCs膽甾型液晶序徑向組織,形成徑向放射狀拓撲構型。


      2. 管狀幾何內外流速差,驅動CNCs膽甾型液晶序沿著周線偏移(偏移角7度),形成軸向麥穗狀拓撲構型。


    圖2.CNCs膽甾型液晶在管狀幾何中構型的偏振光學和掃描電子顯微鏡表征。


      3. 超液晶纖維對直線偏振光和圓偏振光可同時調控,調控模式為半同步/半異步。


      4. 超液晶纖維光學外觀有很強的機械響應性,在拉伸和壓縮過程中,光學外觀展現出明顯得變化。


    圖3.直線和圓偏振光控制以及機械-光學響應性。


      5. 在干燥過程中,超液晶纖維的液晶構型具有可編程性。按照特定要求可以隨意定制超液晶纖維的光學外觀。


      6. 干燥的超液晶纖維具有一定的機械強度和柔韌性,可以任意編織。通過不同的編織方法可實現對信息的儲存,作為先進織物可用于特定身份的識別。


    圖4. 超液晶纖維干燥過程中液晶構型的可編程性,以及作為先進織物在生活中的應用場景。


      該工作通過一種簡單的微流控技術,原位形成水凝膠鞘作為保護罩,確保內部CNCs快速、連續的自組裝,形成具有芯-鞘結構的多層超液晶纖維。基于水凝膠鞘內獨特液晶構型,超液晶纖維展現出獨特的光學外觀,可作為一種響應型的纖維狀材料用于手性光學傳感、偏振光加密、先進織物等領域。此外,該項研究首次系統的探索了膽甾型液晶在一個連續的微管道幾何中的自組裝行為和光學特性。這種自組裝策略對于其他類型的膠體液晶具有普適性。


      該課題得到了國家自然科學基金重點項目 (51733003)項目的資助與支持。復旦大學博士生劉艷軍為文章第一作者,通訊作者為武培怡教授


      全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002193

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