清華新聞網(wǎng)2月28日電 歷經(jīng)百年研究，具有多重響應(yīng)能力的有機(jī)液晶已成為現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域不可或缺的核心材料。然而，制備過(guò)程復(fù)雜、成本高、具有潛在接觸毒性等特點(diǎn)逐漸帶來(lái)了一系列技術(shù)與環(huán)境問(wèn)題。因此，尋找綠色安全、廉價(jià)易得的新型高性能液晶材料，開(kāi)發(fā)有機(jī)液晶電光器件的互補(bǔ)性技術(shù)，具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值和社會(huì)意義。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院材料研究院劉碧錄副教授團(tuán)隊(duì)提出開(kāi)發(fā)二維功能礦物作為以上愿景的一種新穎解決方案。二維材料徑厚比極大的幾何特性可能與其他本征性質(zhì)高度耦合而引入光、電、磁等多種性質(zhì)上的各向異性，使二維材料具有超越傳統(tǒng)有機(jī)液晶靈敏度的場(chǎng)致響應(yīng)行為。與此同時(shí)，多種無(wú)機(jī)礦物材料具有層狀結(jié)構(gòu)，易于二維化生產(chǎn)，展現(xiàn)出儲(chǔ)量豐富、環(huán)境友好的先天優(yōu)勢(shì)?；谝陨纤悸罚芯咳藛T制備了一種基于層狀硅酸鹽礦物——蛭石的新型二維無(wú)機(jī)液晶材料。這一成果不僅為一系列光學(xué)應(yīng)用提供了潛在的大規(guī)模、低能耗解決方案，也為傳統(tǒng)礦物資源的功能化、高值化應(yīng)用探索了新的方向。
研究人員采用氯化鈉、氯化鋰等常見(jiàn)的鹽溶液從層狀蛭石原料大量制備了徑厚比達(dá)到103的單層蛭石，其單元層由兩個(gè)四面體片層夾合一個(gè)八面體片層構(gòu)成。以上單層蛭石具有順磁性響應(yīng)特性，面內(nèi)面外的磁化率存在各向異性，其較大的光學(xué)帶隙（3.9eV）也為其在可見(jiàn)光全波段的光學(xué)調(diào)制打下了基礎(chǔ)。以上制備過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)無(wú)廢，未剝離的蛭石原料和鹽溶液可以循環(huán)復(fù)用。在可能的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)中，人們還有望利用海水進(jìn)一步降低成本。
圖1.二維蛭石的制備及表征
研究人員進(jìn)一步探究了二維蛭石分散液中的液晶學(xué)行為及其磁致雙折射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)表征磁致雙折射效應(yīng)靈敏度的克頓-穆頓系數(shù)超過(guò)103m-1T-2，高出傳統(tǒng)雙折射介質(zhì)數(shù)個(gè)量級(jí)。理論分析表明，二維蛭石較大的形狀各向異性和與結(jié)構(gòu)鐵共同導(dǎo)致的磁化率各向異性可能是這一體系中巨磁光效應(yīng)的來(lái)源。此外，該體系中透射光的相位延遲量可達(dá)到π及以上，表明二維蛭石可能具備透射式干涉色的調(diào)制能力。
圖2.二維蛭石分散液的液晶學(xué)行為
圖3.二維蛭石分散液的磁光響應(yīng)
最后，研究人員基于以上發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了一系列光學(xué)原型應(yīng)用，例如永磁鐵操縱的光開(kāi)關(guān)、顏色顯示單元和力色智能傳感器等。其中，光開(kāi)關(guān)具備40ms級(jí)別的響應(yīng)速度，光強(qiáng)循環(huán)保持率在98%以上。在磁場(chǎng)控制下，顏色顯示單元能夠?qū)崿F(xiàn)多種色調(diào)轉(zhuǎn)換，動(dòng)態(tài)顯示黃、橙、紅、紫、藍(lán)、綠等一系列獨(dú)立或漸變顏色。通過(guò)光固化技術(shù)，研究人員還制備了基于二維蛭石的光學(xué)各向異性水凝膠，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了自支撐、無(wú)能耗的力色可視化傳感。以上原型驗(yàn)證說(shuō)明了基于二維功能礦物的磁光器件具備廣闊的應(yīng)用前景，有望成為與有機(jī)液晶電光器件相互補(bǔ)充的新技術(shù)。
圖4.磁光原型器件
相關(guān)研究成果近日以“二維功能礦物用作可持續(xù)性磁光材料”（2D Functional Minerals as Sustainable Materials for Magneto-Optics）為題發(fā)表在期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。論文第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2019級(jí)直博研究生黃子陽(yáng)，通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授劉碧錄與中科院先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員丁寶福。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院成會(huì)明院士、博士后代立新、科研助理蘭天姝、2019級(jí)碩士研究生王仲玥、2020級(jí)碩士研究生張澤豪，中科院金屬研究所研究員李昺、2018級(jí)博士研究生趙雪婷，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)教授（北京）劉金高、2019級(jí)博士研究生李家亮，以及英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安德烈·蓋姆（Andre Geim）。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)的支持。
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https://doi.org/10.1002/adma.202110464
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭莉莉
