近日，南京大学现代工程与应用科学学院陆延青教授、王瑜副教授、马玲玲准聘助理教授团队和新疆大学黄岭教授团队在国际知名材料学期刊《响应材料》（Responsive Materials）在线发表题为“Stimuli‐responsive active materials for dynamic control of light field”的特邀综述，并被选为当期封面文章。该论文首次以刺激响应为主线，选取软物质液晶、丝蛋白、稀土发光材料和动态超表面为代表的前沿光学功能材料，系统地介绍了其在多维度动态光场控制方面的研究进展，如图1所示，并对液晶赋能稀土发光性能和优化光学超表面设计等方面进行了深入阐述。
图1. (封面图) 液晶、超表面、丝蛋白与稀土发光材料的光场调控示意图(左)；液晶、丝蛋白、稀土磷光材料和超表面的材料结构和刺激响应性能(右)
随着人工智能与大数据的飞速发展，人们对于更先进的光学功能材料的需求也持续增长，催生了一种从单纯追求光学性能的单一维度，向求动态调控性、功能整合性以及多维光信息处理能力演变的新期待。刺激响应性材料俨然已成为当前科技发展的一个重要方向。若能进一步将刺激响应性材料的高度灵敏特质与精巧设计的人工微结构相融合，便能在推动可重构、可编程和智能化光学系统发展的进程中迈出决定性的一步。这样的进展对于高性能光学器件而言，无疑是具有重要意义的。
在综述中，该团队从刺激响应性角度出发，着重挑选了液晶、丝蛋白、稀土发光材料及动态超表面这四类前沿光子学材料，分别介绍了它们在光、电、热、力、湿度、磁、化学等外部刺激下对光的波长/频率、振幅、偏振、相位以及角动量等维度的光学响应、功能调控及器件应用。此外，文章还对液晶在增强稀土发光材料性能和优化光学超表面设计方面的作用进行了深入讨论，强调了上述材料在未来主动智能光学/光子学领域的巨大潜力。
1 刺激响应液晶光子学
液晶是一类独特的软物质材料，它结合了液体的流动性和晶体的有序性，已在显示技术、空间光调制等领域占据了不可替代的地位。随着对新型光学元件需求的增长，液晶凭借其几何相位调控原理，在平面光学元件领域崭露头角，并逐渐转变为动态光学/光子学器件研发的焦点材料。该综述总结了各向异性液晶分子排列的可编程设计，丰富液晶光学微结构的构筑能力，及其展现出的优异的光学性能。这些微结构并能够在热、光、电、力、湿等外部刺激下作出动态响应，有效调控光的相位、偏振、甚至频率等特性，使得液晶在未来光信息显示、光通信、光计算、生物传感等诸多领域表现出极大的应用前景和潜力。
图2. 电场刺激、湿度刺激和外力刺激下软物质液晶光学应用
2 刺激响应丝蛋白光子学
生物材料为可再生、生物相容和可生物降解的系统取代现有的不可再生光学材料提供了新的视角。丝蛋白是一种天然结构蛋白，主要由蜘蛛和家蚕纺织而成，具有分层和可定制结构、刺激响应性、易功能化以及便于形成不同软材料形式等特点，例如其能够在外部刺激下表现出多种响应性，包括可控多态性转变、可逆体积膨胀和收缩以及可编程生物降解性等等。过去几十年里，通过采用丝蛋白的分层制造技术，在设计和制备动态、可调谐光学微/纳米结构方面取得了显著的进展。这种方法推动了众多能够响应各种外部刺激（包括化学物质、温度、光和机械应变）的光学材料和器件的发展，在智能显示、信息处理、柔性驱动器和生物界面等高科技应用领域具有广阔的前景。
图3. 化学刺激和热刺激下丝蛋白光学应用
3 刺激响应稀土光学
稀土发光材料具有优异的光学性质，多样化的应用场景和多重刺激响应性。通过调控光、热、电、磁、力等外界刺激源，可以实现对其发光强度、发光波长和偏振发光等光学性质的操控，因此在包括照明、显示、催化、能源和生命科学等领域发挥着关键作用。此外，近年来研究人员发现稀土发光材料和液晶组成的杂化功能材料体系具有丰富的光学可调性及应用前景。首先，对液晶光学性质的调控手段同样适用于稀土光学，可以实现对稀土主动式发光和液晶被动式发光的协同调控。其次，液晶可作为光学调控平台对稀土发光进行二次调控，例如通过胆甾相液晶诱导稀土的圆偏振发光。因此，研究刺激响应稀土光学并在此基础上开发杂化功能材料体系，对推动稀土光学材料在智能显示、信息防伪和光学加密等领域的高科技应用具有重要意义。
图4. 热刺激和光刺激下的稀土光学调控
4 动态超表面光子学
超材料因其独特的光与物质相互作用，极大地推动了微纳光子学的发展。作为一种变革性的二维超材料，超表面由亚波长尺度的二维人工结构阵列组成，为轻质、紧凑和可重构的光学功能器件和系统的实现带来可能。近年来，随着光信息技术的发展，具有可调谐、多维度、高效率特性的多功能超表面得到了广泛关注。该论文详细介绍了可调谐超表面的四种实现策略，包括利用周围介质折射率的改变、超表面结构单元的相变特性、与柔性材料结合的动态调控特性、以及液晶/超表面有机无机复合集成技术，分别展示了以不同机制为基础的动态调控超表面技术的研究进展，为在信息技术、成像、传感器等领域中构建更加先进和灵活的平面光子器件提供了新的可能性。
图5. 折射匹配层与液晶超表面集成光学应用
5 总结与展望
以液晶、丝蛋白、稀土发光材料和超表面等为代表的刺激响应类光学功能材料，正逐渐在动态智能光学与光子学应用领域展现出日益突出的重要性。这些材料能够在受到特定外部刺激时展现出优异的调光能力，在先进光子学器件和应用中具有巨大潜能。然而，应对这些刺激响应光学材料在实际应用中可能面临的挑战，仍需要科研工作者跨学科深度合作，共同推进。
该论文以“Stimuli‐responsive active materials for dynamic control of light field”为题发表在知名材料学国际期刊Responsive Materials上，并被选为当期封面文章。南京大学陆延青教授、王瑜副教授、马玲玲准聘助理教授和新疆大学黄岭教授为论文共同通讯作者，南京大学郑仁（博一）、魏阳博士与张子宸（博一）为论文共同第一作者，王泽宇（硕三）对该论文亦有重要贡献。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、江苏省“双创计划”、江苏省自然科学基金委的资助。
论文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/rpm.20230017
通讯作者信息
马玲玲于2019年在南京大学取得博士学位（导师：陆延青教授和胡伟教授），后留任副研究员、准聘助理教授（特聘研究员，博导）。主要从事液晶多层级超结构操控、光与液晶微结构相互作用、软物质非线性光子学等方面的研究，在Sci. Adv.、Light Sci. Appl.、Adv. Mater.等期刊上发表学术论文30余篇，封面论文6篇，授权专利6项，参与中国大百科全书-光学工程分册编写，是首批Responsive Materials青年编委，入选第八届中国科协青年人才托举工程、江苏省“双创博士”、南青科研之星等，并获得Young Researcher Award (ISPN2023)、Dr. Martin Schadt best paper Award、小米青年学者-科技创新奖等。
王瑜，南京大学副教授，国家“海外高层次青年人才计划”获得者。2010年于同济大学获得学士学位，2015年于复旦大学获得博士学位。2015-2020年在塔夫茨大学担任博士后，2020年于南京大学现代工程与应用科学学院任副教授。王瑜副教授主要从事绿色软物质光子学、仿生光子学、生物材料和智能材料等领域的研究。致力于发展性能优异、功能集成、智能可调的生物质基功能材料体系并探索其在信息安全、生物界面、智能显示、软体机器人等领域的应用。目前研究方向包括：1.软体及仿生光学材料及器件；2.可穿戴/植入光电子器件；3.智能驱动材料及软体机器人。迄今已在Chem. Rev., Nat. Commun., PNAS, Light Sci. Appl., Adv. Mater.等国际高水平学术期刊上发表论文30余篇。
黄岭，新疆大学二级教授，博士生导师，教育部长江学者特聘教授。2001年于南京大学获得无机化学博士学位，2001-2008年先后在美国加州大学伯克利分校、佛罗里达州立大学、西北大学以及康宁公司总部从事纳米材料的排列与组装的研究，2009年开始在新加坡南洋理工大学任职副教授2012年底回国加入南京工业大学，2021年任职于新疆大学化学学院、碳基能源资源化学与利用国家重点实验室。主要研究方向包括: 1) 基纳米材料化学; 2) 稀土化学; 3) 稀土功能材料在能源、发光、催化等领域的应用。迄今已在Nature, Science, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Agnew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev.等期刊发表论文170余篇，论文SCI他引> 7000次。
陆延青，南京大学副校长、长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、首批“万人计划”科技创新领军人才、教育部创新团队带头人、教育部科技委委员、中国光学学会会士/理事、中国物理学会理事、中国光学工程学会常务理事、美国光学学会会士、国际液晶学会理事、2006年度国家自然科学奖一等奖获奖人。研究成果还曾获江苏省科学技术奖一等奖、中国光学工程学会自然科学一等奖、中国光学十大进展、基础科学研究十大新闻、高等学校十大科技进展等。主持重点研发计划、863计划、973计划、基金重点等国家科研任务，产学研合作紧密，研究方向包括介电体超晶格、液晶光子学、智能仿生材料、微纳光学、光场时空调控等，在Science、Sci. Adv.、Nat. Commun.、PRL、Adv. Mater.、Light Sci. Appl.等刊物发表论文300余篇，授权专利70余项，部分已转化。
Responsive Materials期刊介绍
Responsive Materials（ISSN 2834-8966）是由东南大学和Wiley出版集团合作创办的国际学术期刊。其旨在为全球科研人员提供一个广泛的交流平台，深入探讨刺激响应材料研究的机遇与挑战，并分享这一领域研究的新发现与突破。
由李全院士担任创刊主编，Responsive Materials期刊的编委会目前由包括多位诺贝尔奖获得者、欧洲科学院主席、副主席在内、来自中国、美国、英国、法国、德国、日本、澳大利亚、加拿大、意大利、瑞典、西班牙、葡萄牙、荷兰等国的知名专家组成。期刊的设立不仅有助于推动材料科学研究前沿的探索，更将在引领未来研究方向方面扮演重要的“催化剂”角色，为该领域的全球学术交流提供一个有力平台。
Responsive Materials采用开放获取(open access)的出版方式，保证所有发表的稿件会经过严格、公正和高效的同行评审。平均审稿周期控制在一个月以内，一旦稿件被接收，将立即在线发布并可引用。该期刊包括研究论文、综述、评论、研究亮点以及科学家简介等多种类型的文章。对于前三年（2023年-2025年）发表的文章，无需缴纳文章出版费(Article Publication Charges)。
李全，欧洲科学院院士、欧洲科学与艺术院院士，现任东南大学首席教授、东南大学智能材料研究院院长和首席科学家。《液晶与显示》名誉主编，《Responsive Materials》创刊主编，《Light: Science & Applications》等编辑。液晶技术和智能材料与工程领域的国际顶级学者，液晶光显示和液晶智能变色玻璃的发明者。在智能液晶材料、智能纳米材料、生物医用材料、仿生材料和分子构造软材料等前沿领域的研究以及国内外人才培养方面做出了杰出贡献。入选1999年中国科学院百人计划、德国洪堡学者、英国皇家化学会会士，曾获美国Kent State最高研究和学者奖。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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