西安交通大学：剪切应变驱动的高灵敏度机械响应水凝胶智能窗

【科研摘要】

具有合理设计和可调光传输的先进光学材料因其在节能建筑和按需光学设备方面的巨大潜力而引起越来越多的关注。机械响应智能窗（SWs）可以通过机械驱动调节透光率，显示出高能效、低成本和化学稳定性。然而，目前的研究主要集中在通常需要大应变才能实现光学透明切换的拉伸应变响应SWs，这给实际应用带来了很大的不便，并对基体材料造成了疲劳损伤。

最近，西安交通大学卢学刚副教授/张颖教授/杨森教授团队通过将 Fe3O4@SiO2 纳米链 (NCs) 阵列垂直固定在弹性聚丙烯酰胺基质中，制备了一种具有高应变敏感性的新型剪切响应 SW。柔性 SW 表现出光学透明，所有 NC 在初始松弛状态下垂直于 SW 表面，这实现了良好的屏蔽效果，NC 在施加应变时沿剪切方向倾斜。至关重要的是，施加在 SW 表面上的相当小的剪切位移 (1.5 毫米) 会产生可调谐的光学状态，从 65% 的透明状态到 10% 的不透明状态。所制备的 SW 具有新颖的调谐调制、高剪切应变敏感性和光学角度依赖性，在智能窗户、光开关、反窥淫癖等方面具有广阔的潜力。相关论文以题为Highly Sensitive Mechanoresponsive Smart Windows Driven by Shear Strain发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图导读】

图1 磁性NCs和嵌入NCs的PAM水凝胶膜概述。

图2 SR SW 的光学性能和机理。

图3 a) PAM-NCs 薄膜的剪切应力-应变曲线，插图显示了用于剪切测量的玻璃夹具。b) 剪切变形前后的剪切平面和侧视图示意图。

图4 SR SW 的光学透明度的角度依赖性。a) SR SW（松弛状态，x = 0）的透射光谱，入射角 θ 从 0° 变为 75°。b) 作为 θ 函数的透射率 (λ = 500 nm)。分别在 c) θ = 0°、d) θ = 15° 和 e) θ = 30° 处的 SR SW 照片。

图 5 a）当前工作与其他拉伸应变响应 SW 之间的透射率调谐范围和所需应变的比较。b) 当前工作及其替代方案的品质因数（透射率调谐范围 ΔT 与所需应变的比率）。

【总结】

团队已经展示了一种使用剪切应变来调整光学透射率的新型机械响应 SW。该 SR SW 是通过将 Fe3O4@SiO2NCs 阵列垂直固定在弹性 PAM 基质中制成的。通过利用 PAM 水凝胶中 Fe3O4@SiO2 NCs 的协同取向，施加在 PAM-NCs 薄膜表面的小剪切应变将产生可调的光学状态，从 65% 的高透明状态到 10% 的不透明状态透光率。通过对剪切应力和应变曲线的分析，具有小剪切模量的弹性PAM-NCs薄膜可以在小剪切应力下实现透射率调制。此外，还研究了 SR SW 的角度依赖性，这意味着 25 度的小可视范围。总体而言，具有新颖调谐调制、高品质因数和角度相关性的制造的 SR SW 在智能光学材料领域具有广阔的前景，例如 SW、开关和防窥视膜。

诚然，未来仍有几个问题需要解决，例如光学均匀性、大规模应用等。此外，通过将刺激响应材料（例如介电弹性体、热敏水凝胶）加入玻璃板中，基于这种剪切响应 SW 的原型，预计会有更智能、功能性和灵敏的 SW 响应。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202102350

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