本文由論文作者團隊（課題組）投稿

人類文明與光的應用有著千絲萬縷的聯系。科學技術的發展擴大了人們對陽光的應用并普及了人工照明。但是，不恰當的光輻射也會對類健康和福祉造成傷害。窗戶作為外部光線進入內部的重要通道，在建筑物、車輛和飛機的光線調節中發揮著重要作用。人們亟需具有可切換光學功能的窗戶，以防止或減弱不適當的光輻射對人眼和光敏儀器的損害或干擾。

近年來，智能材料實現了飛速發展，能提供智能光防護功能的透明材料引起了研究人員的廣泛關注。在這種情況下，液晶(LCs)，由于其豐富的響應性和獨特的光學特性，被認為是先進的智能光防護材料的最佳候選者之一。

哈爾濱工業大學紅外薄膜與晶體團隊提出了一種應對復雜光環境實現快速光防護的智能光限幅組裝體。該材料是一種在復雜環境中快速響應，具備光能轉換、對高能光線反射或散射路徑轉移的功能的自適應光學材料。通過賓-主效應、米氏散射以及布拉格反射對光密度的調控機制，實現光學調制的可編程設計。可應用于瞬時變色、視覺成像以及柔性顯示等領域。

該團隊以“Advanced liquid crystal-based switchable optical devices for light protection applications: principles and strategies”為題在Light : Science & Applications發表綜述文章。張銳聰為本文的第一作者，王天宇和朱嘉琦為本文的共同通訊作者。

圖1 智能光限幅組裝體

文中對基于液晶的可切換光學器件的光防護應用進行了全面評估。

首先討論了基于液晶的光防護所面臨的特定光環境以及現有的光防護策略。根據來源，光輻射可分為自然光和人造光。太陽光的波長范圍寬（250nm-2500nm），輻射角度變化大，照射面積大。激光具有功率高、波長窄、反應快的特點。其他高強度照明，如天燈和射燈，其響應速度與激光相同，光譜范圍比激光寬。與傳統的電子控制變色材料相比，液晶材料在響應時間和保護帶寬方面顯示出優越性。液晶材料是光防護的優秀候選材料，因為它們在刺激溫度和可見光透射率方面比傳統的熱變色材料具有明顯的優勢。

圖2 主/被動光防護技術的性能比較

其次，介紹了幾類基于液晶材料的光調制原理。從光能的角度來看，液晶材料的光防護原理有三類：

1）將入射光能轉化為其他形式的能量；

2）通過反射路徑轉移入射光能；

3）通過散射路徑轉移入射光能。

討論了這三種類型的光防護原理在光防護裝置中各自的特點、優勢和應用。然而，在復雜的光學環境下，全面的保護往往需要多種機制的耦合。對不同光環境下的光保護策略提出建議。當在車輛上應用光保護裝置時，有必要關注瞬時的光保護策略，而對于建筑物來說，長期的光保護策略是合適的。

圖3 (a) 傳統擋光板 (b) 局部變化的防護策略

建筑物中的窗戶處于固定位置，長時間暴露在陽光下且窗戶面積遠大于車輛中的光窗。這些不同的使用情況對建筑物的防光設備提出了新的要求：低成本和大面積的制造，低能耗的長期運行，以及紅外調制能力。研究人員使用柔性基材代替玻璃，制備出低成本、大面積聚合物/液晶材料。為了降低能耗，進一步調制紅外，研究人員將智能窗與太陽能電池耦合，將太陽能轉換為電能。

圖4 (a) 卷對卷制備過程示意圖 (b) 發光太陽能聚光器工作原理圖 (c) 太陽能電池(ST-PSC)與聚合物/液晶材料(LCPC)耦合器件

總結與展望

盡管已經研究了多種類型的液晶光防護器件，但用于實際應用的仍十分有限。

第一，開發出能夠適應不同外部環境長期穩定運行的液晶光防護器件具有挑戰性。成熟的液晶光防護器件應具備高紫外輻射容限和電化學穩定性。

第二，缺乏能靈活適應不同外部環境需求的液晶光防護器件。在不同場景下，透明材料的光防護器件需要兼具主、被動防護策略。

第三，這些技術在商業化進程中面臨在擴大裝置規模的同時保證良好的尺度穩定性與均勻性的挑戰。

我們期望新一代智能光限幅組裝體能徹底解決上述問題。在復雜環境中快速響應，兼容光能轉換、對高能光線反射或散射路徑轉移等多機制。不僅能提供多個波段的保護，而且能在復雜的環境中快速反應，滿足建筑物以及交通載具上對可切換光防護材料及器件的需求。

主要作者

張銳聰，本文第一作者，現于哈爾濱工業大學航天學院復合材料與結構研究所攻讀博士學位，主要從事光電薄膜的研究工作。

通訊作者

王天宇，哈爾濱工業大學能源科學與工程學院副教授，中國顆粒學會青年理事，多年來從事多相流流動與透明件特種防護仿真研究，獲國家自然科學基金委、黑龍江省科技廳、中國航空研究院等經費支持，發表論文40余篇。

朱嘉琦，哈爾濱工業大學航天學院教授、博導，長江學者特聘教授，國家杰出青年基金，科技部重點專項、科工局科技創新領域專家，高效焊接新技術國家工程研究中心副主任。主要從事晶體及薄膜等研究，擔任中國機械工程學會表面工程分會副主任，中國材料研究學會極端材料與器件分會副主任，中國儀表材料學會副理事長,  Functional Diamond、Advanced Materials & Devices副主編，表面技術、人工晶體學報、中國表面工程、低溫與真空、功能材料、材料科學與工藝等雜志編委，獲得中國青年科技獎、省青年五四獎章等榮譽，獲國家技術發明獎二等獎1項，國家專利金獎1項，黑龍江省技術發明一等獎2項。獲授權發明專利82項(轉讓21項)，在 SCIENCE, ADVANCED MATERIALS等知名刊物發表200余篇學術論文，出版學術專著2部，譯著1部。

| 論文信息 |

Zhang, R., Zhang, Z., Han, J. et al. Advanced liquid crystal-based switchable optical devices for light protection applications: principles and strategies. Light Sci Appl 12, 11 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-01032-y

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