刘碧录团队开发出基于二维功能矿物的可持续光学材料

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自19世纪后半叶液晶现象被发现以来，液晶材料因其独特的光学性质，以及其对力、热、磁、电等一系列外界刺激的响应能力，得到了研究人员的广泛关注，已成为现代光学领域不可或缺的核心材料。然而，随着人们对可持续社会及碳中和愿景的不懈追求，传统有机液晶材料制备过程复杂、成本高、具有潜在接触毒性等特点逐渐带来了不可忽视的技术与环境问题。考虑到液晶材料与人们的生活密切相关，需求量大，且其应用场景有望在未来大幅扩展，液晶材料的生物安全性、制备便捷性以及液晶器件的技术多样性就显得愈发重要。然而，如何兼顾液晶材料、生产制备、光学应用等方面的要求仍然面临诸多挑战。鲜有低成本、大规模的液晶材料制备及其高性能、低功耗的颜色调制器件见诸报道。因此，寻找绿色安全、廉价易得的新型高性能液晶材料，开发有机液晶电光器件的互补性技术，具有一定的研究和社会意义。
       近日，清华大学深圳国际研究生院材料研究院刘碧录副教授团队提出开发二维功能矿物作为以上愿景的一种新颖解决方案。二维材料径厚比极大的几何特性可能与其他本征性质高度耦合而引入光、电、磁等多种性质上的各向异性，使二维材料具有超越传统有机液晶灵敏度的场致响应行为。与此同时，多种无机矿物材料具有层状结构，易于二维化生产，展现出储量丰富、环境友好的先天优势。基于以上思路，研究人员制备了一种基于层状硅酸盐矿物——蛭石的新型二维无机液晶材料。所需矿物原料在自然界中储量丰富，二维功能矿物的制备过程绿色环保。该材料体系中，磁光双折射效应的响应灵敏度明显优于各类传统双折射介质，使得永磁铁驱动的无能耗运行器件成为可能。基于其高灵敏、宽光谱调制能力，研究人员成功实现了透射式磁致变色和力致变色等器件。这一成果不仅为一系列光学应用提供了潜在的大规模、低能耗解决方案，也为传统矿物资源的功能化、高值化应用探索了新的方向。

       研究人员采用氯化钠、氯化锂等常见的盐溶液从层状蛭石原料大量制备了表面平整、结晶度高、径厚比达到103的单层蛭石，其单元层由两个四面体片层夹合一个八面体片层构成。以上单层蛭石具有顺磁性响应特性，面内面外的磁化率存在各向异性，其较大的光学带隙（3.9eV）也为其在可见光全波段的光学调制打下了基础。二维蛭石的制备过程能够实现闭环无废，未剥离的蛭石原料和盐溶液可以循环复用。在可能的工业化大规模生产中，人们还有望利用海水进一步降低成本。
      研究人员进一步探究了二维蛭石分散液中的液晶学行为及其磁致双折射现象，发现二维蛭石分散液在10 mT级别的微小磁场下即表现出较大的光学双折射响应，表征磁致双折射效应灵敏度的克顿-穆顿系数超过103 m-1T-2，高出传统双折射介质数个量级。理论分析表明，二维蛭石较大的形状各向异性和与结构铁共同导致的磁化率各向异性可能是这一体系中巨磁光效应的来源。此外，该体系中透射光的相位延迟量可达到π及以上，光谱表征指示了在可见光波段二阶相长干涉的出现。以上结果共同表明了二维蛭石具备透射式干涉色的调制能力。
        最后，研究人员基于以上发现验证了一系列光学原型应用，例如永磁铁操纵的光开关、颜色显示单元、渐变色防伪标签和力色智能传感器等。其中，光开关具备40 ms级别的响应速度，光强循环保持率在98%以上。在磁场控制下，颜色显示单元能够实现色调的连续转换，动态显示包括黄、橙、红、紫、蓝、绿等在内的一系列独立颜色或渐变颜色。通过光固化技术，研究人员还制备了基于二维蛭石的光学各向异性水凝胶，进一步实现了自支撑、无能耗的力色可视化传感。以上原型验证说明了基于二维功能矿物的磁光器件具备广阔的应用前景，有望成为与有机液晶电光器件相互补充的新技术。
        相关研究成果近日以《二维功能矿物用作可持续性磁光材料》（2D Functional Minerals as Sustainable Materials for Magneto-Optics）为题发表在期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院2019级直博研究生黄子阳，通讯作者为清华大学深圳国际研究生院副教授刘碧录与中科院先进技术研究院副研究员丁宝福。论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院成会明院士，博士后代立新，科研助理兰天姝，2019级硕士研究生王仲玥、2020级硕士研究生张泽豪，中科院金属研究所研究员李昺、博士研究生赵雪婷，中国地质大学教授（北京）刘金高、博士研究生李家亮，和英国曼彻斯特大学教授、诺贝尔物理学奖得主安德烈·盖姆（Andre Geim）。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、广东省科技厅、深圳市科创委等部门的支持。
        原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202110464


           文章来源：清华大学
       刘碧录，清华大学-伯克利深圳学院特别研究员、博士生导师。2006年本科毕业于中国科技大学材料化学专业， 2012年获中科院金属研究所材料学博士学位。2012年5月至2016年5月，在美国南加州大学电子工程系从事博士后研究，后任研究助理教授，自2016年6月起加入清华大学-伯克利深圳学院低维材料与器件实验室。刘碧录教授的主要研究方向是碳纳米管、二维材料等低维半导体材料的生长机理、可控制备及器件应用。共发表学术论文60余篇，论文被引用8000余次，H因子为40。获得国家基金委优秀青年科学基金（2017年）、“中国科学院院长特别奖”等荣誉与奖励。