【儀表網 研發快訊】在現代智能材料與自適應光學系統領域，開發兼具優異光學性能、機械韌性和環境耐受性的材料，是實現其在智能窗戶、柔性顯示等場景中實際應用的關鍵。熱致變色材料(TCMs)能夠響應溫度變化動態調節透光性，是構建下一代智能光學器件的理想候選材料。然而，如何協同其光學切換性能、機械強度，并使其能夠在嚴寒、高溫、潮濕等復雜環境下穩定工作，仍是該領域面臨的一項重大挑戰。
針對這一挑戰，西安交通大學物理學院的研究團隊提出了一種創新的材料設計與制備策略，成功研發出一種堅韌的非對稱熱致變色離子凝膠(ATI)薄膜。該研究通過巧妙的“動態-原位相分離”方法，將熱響應光散射層與機械支撐層共價結合，制備出具有“Janus”非對稱結構的離子凝膠薄膜。
這種協同設計使其在室溫下具有高透明度(>85%)，在34°C左右發生快速、可逆的透明-不透明切換(40°C時透光率<10%)。得益于離子液體基質的特性，材料展現出卓越的耐低溫性能，在-70°C乃至液氮溫度(-196°C)下仍能保持透明，有效克服了傳統水凝膠材料易凍結失效的難題。同時，材料具備優異的機械韌性，拉伸強度超過5MPa，韌性超過17 MJ/m3。此外，材料表面豐富的疏水基團和極性基團，使其兼具超疏水性(水接觸角>135°)和自粘附性。其在玻璃上的90度剝離強度超過400 N/m，可直接牢固粘貼于多種透明基材(如玻璃、PMMA、PC等)表面工作，無需額外的剛性封裝，極大提升了應用的便捷性與可靠性。作為被動熱致變色智能窗貼膜，該材料能根據環境溫度自動調節太陽光透射，其太陽能總透射率調制能力(ΔTsol)高達56.8%。在夏季午間實測中，裝有該智能窗的模型屋內溫度可比普通玻璃窗降低約10°C，顯示出顯著的節能降溫潛力。研究團隊進一步利用材料的電熱響應特性，在被動式智能窗的基礎上開發了主動光學切換平臺，通過間接焦耳加熱可在材料上實現動態信息顯示，通過直接焦耳自加熱(利用離子導電性)，可使整個材料轉變為不透明態，作為柔性投影屏幕使用，實現了藝術畫作的高清投影。
該工作通過動態原位相分離策略，成功將快速熱致變色、極端環境耐受、高機械韌性及強基材粘附等性能集成于一體，為構建適用于全天候條件的自適應光學系統(如節能建筑、交互式顯示)提供了一個可擴展的高性能材料平臺。
該成果以“Tough asymmetric thermochromic ionogels via dynamic in situ phase separation for dual-modal smart optical switching”為題發表于國際權威期刊《自然·通訊》(Nature Communications)。西安交通大學物理學院為論文唯一通訊單位，第一作者為物理學院2024級博士生杜國立，物理學院盧學剛教授、楊森教授為論文通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國載人航天工程空間應用系統項目以及陜西省自然科學基金等項目的資助。
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