南京大学Responsive Materials封面：面向动态光场调控的刺激响应性光子学材料

导读

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

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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