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武培怡教授团队:多重响应的纳米纤维素液晶纤维用于手性光学和先进织物
2020-05-18  来源:高分子科技

  手性液晶结构(胆甾型)在生命体中普遍存在。复刻其独特的结构和拓扑,构筑多功能光学材料已成为当前研究的热点。纤维素纳米晶(CNCs),一种生物质衍生且具有天然手性的纳米棒状材料,能够自发的组装成左旋的胆甾型液晶,在信息加密、光学编码、光学数据存储等领域有广泛的应用前景。因为胶体液晶的液体流动属性,构建类似生物体中具有长程、稳定的复杂胆甾型液晶结构是极具挑战的。因此,目前CNCs形成的胆甾型液晶结构只有单一的膜形式。如何使人造胶体液晶在空间几何中(球形几何、圆柱几何、不规则几何等)获得稳定、连续的拓扑构型是一个具有重要科学意义的课题。


  胆甾型液晶在球形几何中拥有一个球对称结构,这种结构导致全向光学特性,可用于三维光学扫描和成像,激光谐振器等。与之相比,圆柱几何拥有一个无限延伸的轴对称空间,胆甾型液晶在其中可形成独特的液晶构型。但是,当CNCs溶液的注射流进入凝固浴中,由于液-液界面的界面能趋于最小化,导致液体管断裂形成液滴。在凝固浴中形成一个连续、平滑的液体管用于CNCs胆甾型液晶的自组装是十分困难的。因此,胆甾型液晶在圆柱几何中的组装行为和光学特性仍未被系统的研究。


  该工作提出了一种CNCs在原位形成的凝胶鞘中自组装的方法,大规模制备具有连续芯-鞘结构的多层超液晶纤维。超液晶纤维拥有跨越多个尺度的复杂结构:长程的胆甾型液晶序(纳米尺度)、三维拓扑构型:径向放射状构型和轴向麦穗状构型(微观尺度)和连续的芯-鞘结构(宏观尺度)。海藻酸钠和Ca2+在液-液快速凝胶化是超液晶纤维大规模制备的关键因素。超液晶纤维展现出CNCs纳米棒的对齐稳定性、胆甾型液晶构型的可编程性,以及偏振光方向和强度的可控性。超液晶纤维在直线和圆偏振光学上具有前所未有的可调控性,提供了一个有吸引力的纤维状材料平台。相关工作近期以“Bioinspired Hierarchical Liquid-Metacrystal Fibers for Chiral Optics and Advanced Textiles”为题被 Advanced Functional Materials接收。


图1. CNCs在原位形成的凝胶鞘中自组装示意图。


  1. 管状几何约束,促使CNCs胆甾型液晶序径向组织,形成径向放射状拓扑构型。


  2. 管状几何内外流速差,驱动CNCs胆甾型液晶序沿着周线偏移(偏移角7度),形成轴向麦穗状拓扑构型。


图2.CNCs胆甾型液晶在管状几何中构型的偏振光学和扫描电子显微镜表征。


  3. 超液晶纤维对直线偏振光和圆偏振光可同时调控,调控模式为半同步/半异步。


  4. 超液晶纤维光学外观有很强的机械响应性,在拉伸和压缩过程中,光学外观展现出明显得变化。


图3.直线和圆偏振光控制以及机械-光学响应性。


  5. 在干燥过程中,超液晶纤维的液晶构型具有可编程性。按照特定要求可以随意定制超液晶纤维的光学外观。


  6. 干燥的超液晶纤维具有一定的机械强度和柔韧性,可以任意编织。通过不同的编织方法可实现对信息的储存,作为先进织物可用于特定身份的识别。


图4. 超液晶纤维干燥过程中液晶构型的可编程性,以及作为先进织物在生活中的应用场景。


  该工作通过一种简单的微流控技术,原位形成水凝胶鞘作为保护罩,确保内部CNCs快速、连续的自组装,形成具有芯-鞘结构的多层超液晶纤维。基于水凝胶鞘内独特液晶构型,超液晶纤维展现出独特的光学外观,可作为一种响应型的纤维状材料用于手性光学传感、偏振光加密、先进织物等领域。此外,该项研究首次系统的探索了胆甾型液晶在一个连续的微管道几何中的自组装行为和光学特性。这种自组装策略对于其他类型的胶体液晶具有普适性。


  该课题得到了国家自然科学基金重点项目 (51733003)项目的资助与支持。复旦大学博士生刘艳军为文章第一作者,通讯作者为武培怡教授


  全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002193

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