武培怡教授AFM：一种应用于手性光学和先进纺织品的仿生超液晶纤维

CYM 5年前 (2020-06-01) 5143浏览

【引言】 

胆甾相液晶（LCs）在生物中无处不在，同时由于其迷人的结构和光学特性而备受关注。纤维素纳米晶体（CNCs）是自然界中具有手性的典型生物衍生纳米棒，可以自发形成具有强烈双折射现象的左旋胆甾相LCs。虽然在图案化、光学识别、光学编码和传感器等方面有广泛的应用，相比结构复杂的天然LCs体系，由于纳米胶体液晶的热力学不稳定性，目前只有在薄膜材料中才会形成长程有序的胆甾相LCs结构。因此，具有空间结构和连续拓扑结构的人工胆甾相LCs的形成和稳定具有一定挑战性。为此，研究者通过微流控聚焦液滴发生器将纳米胶体LCs制备成微液滴或微球。在受几何和拓扑法则支配的微球中，胆甾相LCs的微球展现出径向放射状的拓扑结构，这种独特的结构可用于全向光学控制。尽管这种方法用于制备胆甾相结构的均匀微球已经很成熟，但是，现有策略制备具有独特内部结构的非球形液晶材料仍然很困难。另外，与完全封闭的球形几何形状相比，具有无限扩展轴对称空间的圆柱形几何可能会产生意想不到的胆甾相LCs。然而，对于胆甾相LCs在连续圆柱几何中的演化过程和光学特性仍是一个尚未探索的研究领域。

近日，复旦大学博士生刘艳军（导师武培怡教授）受蜘蛛纺丝工艺的启发，报道了棒状CNCs在原位形成的连续光滑的水凝胶微管中自组装，以制备分层超液晶（LMC）纤维。其中，LMC纤维具有跨越不同尺度的复杂结构：长程胆甾序（纳米尺度），3D拓扑缺陷（微米尺度）和芯-鞘结构（宏观尺度）。海藻酸钠（Na-Alg）和Ca2+快速交联形成的水凝胶鞘层，提供了稳定和连续的组装环境。此外，LMC纤维具有CNCs对齐稳定性、拓扑结构可编程性、偏振光方向和强度可控性。相关研究成果以“Bioinspired Hierarchical Liquid-Metacrystal Fibers for Chiral Optics and Advanced Textiles”为题发表在Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图一、通过微管道限制制造分层LMC纤维

（a）LMC纤维的制备过程；

（b）描述胆甾相LCs在LMC纤维中形成的示意图；

（c）模拟LMC纤维表面在凝固浴中的剪切应力场分布；

（d，e）LMC纤维在交叉偏振场中的POM图像，以及在加入λ玻片的交叉偏振场中的POM-λ图像；

（f）纯CNCs(2wt%)、注射液和LMC纤维的CD谱。

图二、LMC纤维内的3D拓扑构型

（a）制备过程中螺旋LMC纤维的示意图；

（b，c）LMC纤维径向截面的POM图像和相应的POM-λ图像；

（d）LMC纤维径向截面的SEM图像，黄色虚线说明LMC的对齐方向；

（e，f）POM图像中显示沿LMC纤维轴向的亮暗条纹，以及对应的带有红-蓝色条纹的POM-λ图像；

（g）垂直的LMC纤维和倾斜7°的LMC纤维POM-λ图像。

 图三、线性和圆偏振光的控制

（a）LMC纤维的POM-λ图像显示，随着顺时针旋转，颜色周期性地从蓝色变为红色；

（b）LMC纤维径向截面在0°和90°时的POM-λ图像；

（c）在4.0 mL min-1的流速下获得的具有反向旋光性的LMC纤维；

（d）随着角度的变化，通过LMC纤维的线性偏振光光强变化；

（e）随着角度的变化，通过LMC纤维的圆偏振光CD强度变化；

（f）LMC纤维在不同角度（0°、30°、45°、60°和90°）的CD光谱；

（g）在不同应力状态下，LMC纤维的透射色变化；

（h）机械-光学响应的LMC纤维呈可逆的竹节状结构。

图四、用于手性光学的可编程的LMC构型

（a）在空气中，水分蒸发时LMC纤维的收缩方向示意图；

（b）失水过程中，LMC纤维的颜色变化；

（c）在玻璃基板上，水分蒸发时LMC纤维收缩方向的示意图；

（d）通过施加外部应力，定制LMC纤维的光学外观；

（e）同直径的两条相交LMC纤维，展现出不同的光学外观组合；

（f）基于不同光学外观组合的LMC纤维的偏振光编码示意图；

（g）干燥的LMC纤维织成的高级纺织品的照片；

（h）用于识别身份的不同编码颜色的高级织物示意图。

【小结】

总之，作者基于一种简单的微流控策略，通过CNCs在原位形成的水凝胶鞘内自组装，成功制备了具有芯-鞘结构的分层LMC纤维。在LMC纤维的芯层中，长程胆甾相LCs组成3D拓扑构型，这种构型具有径向放射状拓扑结构和轴向“麦穗状”拓扑结构。基于这种独特的拓扑构型，LMC纤维具有偏振光方向和强度可控性，可用于手性光学传感、偏振加密和先进纺织品等领域。重要的是，通过简单地调节注射流流量、外部应力和纤维的含水量，可以精确地控制LMC构型。作者首次展示了胆甾相LCs在连续微管道几何中的演化过程和光学特性，同时这种组装策略对于其他的纳米胶体LCs制备复杂结构的纤维状材料是通用和有效的。

文献链接：“Bioinspired Hierarchical Liquid-Metacrystal Fibers for Chiral Optics and Advanced Textiles”(Adv. Funct. Mater.，2020，10.1002/adfm.202002193)

武培怡

教授，博士生导师

国家杰出青年基金获得者(2004)，英国皇家化学会会士

Email: wupeiyi@dhu.edu.cn；peiyiwu@fudan.edu.cn

主要研究方向：

二维相关光谱在聚合物体系中的应用

仿生材料

聚合物功能膜

代表性工作：

  1. Zhouyue Lei, and Peiyi Wu*. A Highly Transparent and Ultra-Stretchable Conductor with Stable Conductivity During Large Deformation. Nat. Commun.2019, 10, 3429.
  2. Fei Lv, Zesheng An*, and Peiyi Wu*. Scalable Preparation of Alternating Block Copolymer Particles with Inverse Bicontinuous Mesophases. Nat. Commun. 2019, 10, 139
  3. Zhouyue Lei, and Peiyi Wu*. A Supramolecular Biomimetic Skin Combining a Wide Spectrum of Mechanical Properties and Multiple Sensory Capabilities.Nat. Commun.  2018, 9, 1134.
  4. Zhouyue Lei, Quankang Wang, Shengtong Sun, Wencheng Zhu, and Peiyi Wu*. A Bioinspired Mineral Hydrogel as a Self-Healable, Mechanically Adaptable Ionic Skin for Highly Sensitive Pressure Sensing. Adv. Mater.
    2017, 29, 1700321.
  5. Shengjie Xu, Dian Li, and Peiyi Wu*. One-Pot, Facile, and Versatile Synthesis of Monolayer MoS2/WS2 Quantum Dots as Bioimaging Probes and Efficient Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction. Adv .Funct. Mater. 2015, 25, 1127-1136.

本文由CYM编译供稿。

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