美国哈佛大学锁志刚教授课题组首次报道基于水凝胶的可拉伸液晶器件

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 液晶是一种既有液体的流动性，又有固体的各向异性有序排列的介于固体和液体之间的特殊物质。自1888年被首次发现以来，已经在许多领域具有广泛的应用。从生活中常见的液晶电视，手机屏幕，汽车、家电上的仪表盘，到科学研究领域中的光学相位调节器，分光束控制器以及可调节菲涅耳透镜等。

图1 液晶的向列相纹理结构（左）和液晶的应用实例（右）

液晶器件是光学器件，其基本结构是一层液晶材料夹在两层电极中间。电极要求是透明的，才能让光透过。目前，使用最广泛的透明电极是镀有氧化铟锡（ITO）的导电玻璃。但是ITO导电玻璃对制备工艺要求苛刻，制备成本高，并且玻璃容易摔碎。近年来，科学家们致力于研发替代ITO导电玻璃的透明电极，如碳纳米管、石墨烯、纳米金属氧化物和纳米银线等。尽管这些电极相比于ITO导电玻璃有性能上的提高，但仍然存在诸如透明度不高、机械载荷下的脆性断裂和界面脱粘等问题。

上述基于无机材料的电极通常是脆性的。相比之下，基于有机材料的电极则通常具有优异的拉伸性能。其中，一个典型的具有高透明度和高可拉伸性能的材料是掺杂有离子的水凝胶离子导体。与无机材料基于电子导电不同的是，水凝胶离子导体是基于离子导电的。这与人体的神经传递神经电信号是一致的，水凝胶离子导体可以用作人造神经。美国哈佛大学锁志刚教授团队于2013年首次在Science上报道水凝胶离子导体在介电弹性体驱动器中的应用，展示了透明的人造肌肉和透明的扬声器。之后，锁志刚教授团队一直致力于水凝胶离子导体的相关研究，先后报道了基于水凝胶的能感知压力的人造皮肤、可拉伸透明人造神经、可拉伸电致发光器件等。

图2 基于水凝胶离子导体的透明/可拉伸器件

现在，锁志刚教授团队首次提出用水凝胶离子导体来驱动液晶，实现了液晶器件的可拉伸，开辟了离子导体在液晶器件中的应用。

图3 基于水凝胶离子导体的液晶器件结构及原理示意图

实验结果发现，基于水凝胶离子导体的液晶器件具有与传统的基于电子导体的液晶器件相同的光学响应功能。对器件在电驱动下的显微镜观察进一步确认了这一现象。另外，实验结果还表明，引入水凝胶离子导体后器件的RC延迟非常小，不会影响液晶器件的响应时间。

图4 基于水凝胶的液晶器件光学响应性能

我们知道，当给水施加的电压超过其电解电压（~1V）时，水会被电解。在基于水凝胶的液晶器件中，研究人员通过合理的结构设计，实现了在高于水的电解电压（100~1000V）下，保持液晶的稳定工作，同时避免了水的电解。

图5 器件的微观结构表征与动态响应

水凝胶离子导体的引入，赋予了液晶器件可拉伸特性。实验结果表明，器件在拉伸前后保持了其光学响应功能。此外，器件的可拉伸特性使得器件具有双重响应功能，即电压驱动下的光学响应功能和机械变形驱动下的光学响应功能。

图6 可拉伸液晶器件

最后，研究人员指出，液晶器件是一种电压驱动的器件，可以由离子驱动，而不一定需要由电子驱动。原则上讲，所有的液晶器件都可以由离子导体来驱动。

离子导体的种类繁多。这一工作首次展示了用离子导体来驱动液晶器件的可行性。不同种类的离子导体将赋予液晶器件新的性能。此外，基于离子导体的液晶器件独特的柔软特性，可以使得液晶器件在一些之前无法实现的场合，如可穿戴显示屏，曲面显示，可折叠显示以及柔性光学调节器等，得到新的应用。

这一研究工作最近发表在Materials Horizons上。博士后杨灿辉是该论文的第一作者，锁志刚教授为通讯作者。该工作由美国哈佛大学工程与应用科学学院和西安交通大学航天航空学院合作完成。

参考文献

1.  D.-K. Yang, S.-T. Wu, Fundamentals of Liquid Crystal Devices, John Wiley & Sons, Chichester, England, 2006.

2. C. Keplinger, J. Y. Sun, C. C. Foo, P. Rothemund, G. M. Whitesides, Z. Suo, Science, 2013, 341, 984.

3.  J. Y. Sun, C. Keplinger, G. M. Whitesides, Z. Suo, Adv. Mater., 2014, 26, 7608.

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5.  C. H. Yang, B. Chen, J. J. Lu, J. H. Yang, J. Zhou, Y. M. Chen, Z. Suo, Extreme Mechanics Letters, 2015, 3, 59.

6.  C. H. Yang, S. Zhou, S. Shian, D. R. Clarke, Z. Suo, Materials Horizons, 2017, DOI: 10.1039/C7MH00345E.

论文信息与链接：

Can Hui Yang, Shuang Zhou, Samuel Shian, David R. Clarke, Zhigang Suo, Organic Liquid-Crystal Devices Based on Ionic Conductors, Materials Horizons, 2017, DOI: 10.1039/C7MH00345E.

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/MH/C7MH00345E#!divAbstract

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