微小形变驱动的大幅光学调节：仿生压力响应智能窗户

【导读】

机械响应型智能窗户作为一种绿色技术，可以实现透光率的控制，但通常需要较大的形变来激活。高丽大学的Seokwoo Jeon教授团队提出了一种新型材料结构，通过微小形变即可实现大幅光学调节，显著减少了调控所占的空间。 相关论文以“Compression-sensitive smart windows: inclined pores for dynamic transparency changes”为题发表在学术期刊 Nature Communications上。

【成果掠影】

窗户不仅是光线进入建筑的通道，还在调节室内温度、照明、视野和隐私方面起着至关重要的作用。超过50%的城市能源消耗用于建筑的日常运行，尤其是在温度和照明控制上，因此设计高效窗户已成为一个亟待解决的难题。

相较于传统智能窗户解决方案，如液晶或热致变色薄膜，力致变色薄膜凭借其环保、简单的组成、低成本和快速响应脱颖而出。当弹性薄膜被拉伸时，其内部结构会在毫秒内发生变化，使窗户从“透明”状态变为“乳白色”，从而调节光线。然而，现有的力致变色技术需要超过15%的形变才能显著改变透光率。以一米见方的窗户为例，材料需拉伸超过15厘米才能达到足够的光学调节效果，这大大限制了其实用性。尽管研究人员在材料（Adv. Sci. 2020, 7 (11), 1903708; Adv. Funct. Mater. 2021, 31 (32), 2102350）和结构（ACS Nano 2022, 16 (1), 68-77; Nanophotonics 2022, 11 (11), 2737-2762）等方面做出了很多努力以提高薄膜的拉伸灵敏度，但由于材料成分复杂化和透明度可调范围受限，始终未能取得大的突破。

为了解决这一瓶颈，韩国高丽大学的Seokwoo Jeon教授团队从变色墨鱼的生物机制中汲取灵感，设计了一种通过沿厚度方向压力激活的新型变色薄膜（图1）。未受压时，硅弹性体内部的孔洞会有效散射光线，使薄膜呈乳白色；而受到压缩时，孔洞闭合，薄膜迅速变为透明。这一创新通过改变传统平面内激活方式为厚度方向激活，本质上将空间需求与光学薄膜的横向尺寸解耦，仅需0.05毫米的微小变形便可实现动态光学调节，完全摆脱了窗户尺寸限制。

为了深入研究影响这种新型力响应光学薄膜性能的关键因素，团队利用三维光刻技术和多物理场仿真，制备了高度有序的三维多孔阵列（图2a-g）。以单次曝光成型的光刻胶作为结构模板，一步材料转化即可制备出多孔硅弹性体薄膜（图2h）。

通过深入分析孔洞倾斜角度对结构性能的影响，研究人员发现倾斜孔洞相比于竖直孔，能在受压时更有效地闭合。多孔结构优化后的智能膜仅凭头发丝直径的厚度便可实现高达94%的光学对比度调节和95%的透光率（图3）。得益于简单的材料组分和结构，即使经过10万次循环测试后，薄膜性能几乎没有衰退。此外，这种薄膜还能通过局部压力调节光学性能（图3e-f），这是传统依赖拉伸应变的材料无法实现的。

在力致变色薄膜的应用场景中，如智能窗户，薄膜在光学调节过程中的面积变化至关重要，因为它决定了安装和使用时所需的空间。传统由平面内拉伸激活的薄膜需要额外的操作空间，面积扩展通常超过10%。然而，文章基于有限元模拟提出，基于沿厚度方向压力的激活模式，可以实现面积变化与驱动应变的解耦。因此，泊松比为零的弹性薄膜将可以在其面积不变的情况下实现对透明度等光学性质的调节（图4）。

【核心创新点】

本文巧妙地提出新的激活模式，从根本上解决了力响应变色薄膜空间需求上的痛点：

1.大驱动形变——与传统智能窗需要大面积应变不同，这种新型薄膜通过厚度方向的压力激活，其所需的微米级驱动形变理论上不随薄膜横向尺寸变化，极大地改善了机械响应智能窗的实用性。

2.高面积膨胀——文章基于有限元模拟提出减少面积变化的新策略。通过优化这种压力响应薄膜的多孔结构，降低材料的泊松比，可把压缩时产生的面内面积变化降为零。显著降低了薄膜进行动态光学调控的空间需求。

【数据概览】

 1.智能薄膜进行光学调控所需的驱动形变低至05mm，比文献报道中低了两个数量级。

2.大幅且快速光学调节：通过微米级的压缩量，薄膜可实现高达94%的光学对比度调节，并达到95%的透光率，具有显著的光学调控效果。响应时间约为200毫秒。

3.稳定性：经过10万次循环测试，该材料几乎没有表现出性能衰退，展示了其极强的耐用性。

4.低面积变化：薄膜在光学调控时表现出小于5%的面积变化。

图1 基于倾斜多孔结构的压力响应薄膜的设计概念，该结构通过厚度方向的压力激活。（a）两种力响应光学薄膜的不同工作机制和驱动位移。智能薄膜在分别处于（b, d）释放后的隐私保护模式和（c, e）压力下的可见模式。

图2 通过厚度压缩模式散射体的制造和表征。(a) 示意图展示了使用棱镜形相位掩膜进行三维光刻工艺。SEM图像、FDTD模拟得到的衍射图案以及SEM对应的快速傅里叶变换频域图，分别为在入射角 (b 和 c) 0°、(d 和 e) 30° 和 (f 和 g) 65° 时制备的倾斜三维结构。(h) 示意图展示了从光刻胶模板一步制备智能光学薄膜的过程。

图3  透光率调节性能 (a) 基于不同结构倾角的光学薄膜透光率随压缩位移变化的曲线；插图展示了薄膜中多孔功能层和支撑层的各自厚度。(b) 倾斜孔角度为40.3°的光学薄膜在不同压缩位移下的透光率。(c) 超薄的智能光学薄膜放置在花和叶子上的照片。(d) 对比本工作与文献报道中最先进的力致变色薄膜。(e和f) 能够进行局部光学调控的智能薄膜，可作为猫眼功能使用。

图4. 沿厚度压缩的激活模式在最小化空间需求方面的潜力。（a）平面内拉伸和（b）厚度方向压缩激活的智能薄膜中所需的额外面积。

【成果启示】

这项技术的突破易于推广普及至其他高分子弹性材料，有望为智能窗户、微型化光学设备、透明显示器和柔性传感器的开发开辟广阔的应用前景。

原文详情：

Chen, H., Chang, G., Lee, T.H. et al. Compression-sensitive smart windows: inclined pores for dynamic transparency changes. Nat Commun 15, 8074 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52305-6

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52305-6#citeas

本文由 Jench 供稿