华南师范大学响应型材料及器件集成国际联合实验室赵威副研究员:液晶材料中的光聚合诱导分层
  • 时间:2021-03-09 14:45:00
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  • 作者:Dirmlab

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导语

如何设计制备具有明确性能特性的定制材料是材料科学和技术领域的主要挑战之一。在复合材料中,研究人员已开发出很多方法来控制和动态调整组分的分布,从而将各组分的优异性能结合起来。液晶(LC)有望成为聚合物复合材料的重要组成部分,因其具有独特的光、电和机械性能,还可以响应各种环境刺激。近日,华南师范大学响应型材料及器件集成国际联合实验室基于前期工作基础,围绕光聚合诱导分层技术作为控制LC/聚合物复合材料结构的一种重要工具,系统总结了其原理、实现方式、材料性能及在功能器件制备中的应用。该工作以综述的形式发表在近期的Progress in Polymer Science上(DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2021.101365),华南师范大学青年拔尖人才赵威副研究员为该论文的第一及通讯作者,周国富教授为论文的通讯作者,Dirk J. Broer教授为论文的合作者。


课题组简介

响应型材料及器件集成国际联合实验室(Joint Research Lab of Device Integrated Responsive Materials, DIRM)于2015年由华南师范大学和荷兰埃因霍温理工大学联合创立,目标是通过汇集中荷两国在功能材料和器件集成领域的顶尖人才,成为学术研究和技术产业化之间的桥梁。DIRM的研究方向包括响应型材料、LC聚合物、器件集成、智能窗和智能涂层等。近年来,该团队在领域内取得诸多进展,已在Adv. Mater., Nat. Commun., Adv. Sci., Adv. Funct. Mater., Adv. Opt. Mater., ACS Appl. Mater. Inter.等高水平杂志上发表了多篇论文。课题组主页: http://www.dirmlab.org.


团队带头人介绍

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周国富教授是华南师范大学全职教授、博士生导师,华南先进光电子研究院院长,DIRM实验室中方主任,广东省领军人才,原荷兰皇家飞利浦首席科学家。主持和参与多项由飞利浦、国家自然科学基金、科技部及教育部资助的重大科研项目,是电子纸显示技术的发明者以及产业化领导者之一。已经发表学术论文300余篇,累积引用3000余次,并作邀请报告60余次。已申请国内外专利618项,其中包括授权美国专利50项,授权中国发明专利85项,授权日本专利1项。

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Dirk J. Broer教授是荷兰皇家科学院院士,埃因霍温理工大学与华南师范大学博士生导师,DIRM实验室主任。曾任荷兰飞利浦研究院首席科学家,同时为世界知名液晶材料公司Merck的高级顾问。在响应型液晶聚合物材料及器件领域有超过40年的研究经历,且有30余年的产业化开发经验。已经发表学术论文近400篇,包括7篇Nature系列的文章,他引次数20372次,H指数为71。此外还持有158项专利,包括110项美国授权专利。

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赵威副研究员,华南师范大学引进高层次青年拔尖人才,DIRM实验室执行副主任。主要从事聚合物及其复合材料相关的研究,涉及领域包括液晶聚合物、手性嵌段共聚物、弹性体复合材料、3D打印材料等。涵盖基础研究及材料应用,积累了丰富的前沿科学研究和技术产业化经验。迄今在Phys. Rev. Lett.,ACS Nano,Macromolecules,Adv. Sci., Adv. Opt. Mater.等期刊发表论文30余篇,累计引用1100余次。申请中外专利超过20项,已授权7项。


近期科研成果介绍:液晶材料中的光聚合诱导分层


近日,华南师范大学青年拔尖人才赵威副研究员依据响应型材料及器件集成国际联合实验室前期的工作基础,对光聚合诱导分层技术作为控制LC/聚合物材料中结构形成的重要工具进行了系统总结与梳理。制备分层的LC/聚合物结构通常需要至少三种组分:LC、可聚合组分(单体)以及光引发剂(图1)。在分层的过程中,可以通过调控起始混合物组成或光聚合过程来获得设计的结构。为此,作者总结了目前研究最为广泛的丙烯酸酯类的液晶单体、非液晶性单体及普通和二色性光引发剂等材料。一旦选择了起始材料,最终的分层结构在很大程度上取决于制备过程。根据原理的不同,光聚合诱导分层可以分为以下三类

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(1)使用强度分布不均匀的光在指定区域发生聚合反应(图2A)。在这个过程中,光聚合反应通常与物质扩散过程结合。以自由基聚合为例,在光照区域,光引发剂产生自由基从而引发单体发生聚合。单体的快速消耗使其在光照区域的化学势下降,诱导初始位于非光照区域的单体扩散到光照区域,反之,不可反应的液晶小分子从光照区域扩散到非光照区域,并最终形成分层结构。

 

(2)使用均匀强度的光,在“不均匀”的体系中进行光聚合(图2B),也可以获得分层结构。单体、小分子液晶和光引发剂的均质混合物可以通过外场(包括电场和表面化学势)诱导成为不均匀(分层)的状态,此时引入均匀光场引发光聚合即可固定得到最终的分层结构。

 

(3)通过特殊的材料(如紫外吸收剂、二色性光引发剂)或者独特的工具(如双光子聚合技术),来改变入射光在不同区域的能量吸收(图2C),从而实现聚合的不均匀性(如聚合反应发生的位置和速率差异),由此产生分层结构。

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图2:光聚合诱导分层的原理示意图。(A)由于强度分布不均匀的光场而导致的分层;(B)由于外场而分层并通过光聚合稳定;(C)由于对入射光吸收能量不均匀而导致的分层。其中,起始混合物包括小分子液晶(L),单体或可聚合组分(P)和光引发剂(I);I1与I2表示不同区域的光强;A1与A2表示不同区域的吸光度。

(来源:Progress in Polymer Science)


根据不可聚合液晶分子和可聚合组分之间的比例以及液晶与形成的聚合物之间的相互作用,光聚合诱导分层主要有四种典型的结构:液滴状结构(图3A)、聚合物支架结构(图3B)、切片状的聚合物结构(图3C),以及聚合物纤维束结构(图4)。前三种结构通常出现在LC占据起始混合物次要成分的体系中,与之相对,当LC占据起始混合物的主要成分时,光聚合后通常形成聚合物纤维束结构。

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图3:三种典型光聚合诱导分层结构的SEM图像:(A)LC液滴状结构;(B)聚合物支架状结构;(C)切片状聚合物结构。

(来源:Progress in Polymer Science)

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图4:向列相液晶中形成的聚合物纤维束结构模型及扫描电镜照片。

(来源:Progress in Polymer Science)

总结:分层是一个复杂的现象,深入理解不同因素之间的相互作用是一个极具挑战的任务。在液晶/聚合物复合体系中,光聚合诱导分层是一种强有力的工具,使我们能够精确确定聚合过程的起始、终止时间和终止程度,进而调整分层过程以实现各种结构。典型的分层结构具有微米尺度,可以将聚合物的优异机械性能与小分子液晶的快速响应性相结合,从而实现协同作用,因此成为设计制备下一代智能材料的理想选择。


国际会议信息

 

响应型材料及器件集成国际联合实验室将于2021年11月13日至16日在广州举办“第十一届国际液晶弹性体会议”(International Liquid Crystal Elastomer Conference, ILCEC 2021)。ILCEC是液晶领域的权威国际会议之一,每两年举办一次。本次会议是ILCEC第二次来到国内举办,有望汇聚液晶弹性体领域国内外的知名专家学者,以及来自工业界的代表们。欢迎相关领域的专家、老师和同学参加!

相关注册参会信息见会议官网:https://ilcec2021.dirmlab.org/

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