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  液晶是一種既有液體的流動性，又有固體的各向異性有序排列的介于固體和液體之間的特殊物質(zhì)。自1888年被首次發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。從生活中常見的液晶電視，手機屏幕，汽車、家電上的儀表盤，到科學研究領(lǐng)域中的光學相位調(diào)節(jié)器，分光束控制器以及可調(diào)節(jié)菲涅耳透鏡等。

圖1 液晶的向列相紋理結(jié)構(gòu)（左）和液晶的應(yīng)用實例（右）

  液晶器件是光學器件，其基本結(jié)構(gòu)是一層液晶材料夾在兩層電極中間。電極要求是透明的，才能讓光透過。目前，使用最廣泛的透明電極是鍍有氧化銦錫（ITO）的導電玻璃。但是ITO導電玻璃對制備工藝要求苛刻，制備成本高，并且玻璃容易摔碎。近年來，科學家們致力于研發(fā)替代ITO導電玻璃的透明電極，如碳納米管、石墨烯、納米金屬氧化物和納米銀線等。盡管這些電極相比于ITO導電玻璃有性能上的提高，但仍然存在諸如透明度不高、機械載荷下的脆性斷裂和界面脫粘等問題。

  上述基于無機材料的電極通常是脆性的。相比之下，基于有機材料的電極則通常具有優(yōu)異的拉伸性能。其中，一個典型的具有高透明度和高可拉伸性能的材料是摻雜有離子的水凝膠離子導體。與無機材料基于電子導電不同的是，水凝膠離子導體是基于離子導電的。這與人體的神經(jīng)傳遞神經(jīng)電信號是一致的，水凝膠離子導體可以用作人造神經(jīng)。美國哈佛大學鎖志剛教授團隊于2013年首次在Science上報道水凝膠離子導體在介電彈性體驅(qū)動器中的應(yīng)用，展示了透明的人造肌肉和透明的揚聲器。之后，鎖志剛教授團隊一直致力于水凝膠離子導體的相關(guān)研究，先后報道了基于水凝膠的能感知壓力的人造皮膚、可拉伸透明人造神經(jīng)、可拉伸電致發(fā)光器件等。

圖2 基于水凝膠離子導體的透明/可拉伸器件

  現(xiàn)在，鎖志剛教授團隊首次提出用水凝膠離子導體來驅(qū)動液晶，實現(xiàn)了液晶器件的可拉伸，開辟了離子導體在液晶器件中的應(yīng)用。

圖3 基于水凝膠離子導體的液晶器件結(jié)構(gòu)及原理示意圖

  實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于水凝膠離子導體的液晶器件具有與傳統(tǒng)的基于電子導體的液晶器件相同的光學響應(yīng)功能。對器件在電驅(qū)動下的顯微鏡觀察進一步確認了這一現(xiàn)象。另外，實驗結(jié)果還表明，引入水凝膠離子導體后器件的RC延遲非常小，不會影響液晶器件的響應(yīng)時間。

圖4 基于水凝膠的液晶器件光學響應(yīng)性能

  我們知道，當給水施加的電壓超過其電解電壓（~1V）時，水會被電解。在基于水凝膠的液晶器件中，研究人員通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了在高于水的電解電壓（100~1000V）下，保持液晶的穩(wěn)定工作，同時避免了水的電解。

圖5 器件的微觀結(jié)構(gòu)表征與動態(tài)響應(yīng)

  水凝膠離子導體的引入，賦予了液晶器件可拉伸特性。實驗結(jié)果表明，器件在拉伸前后保持了其光學響應(yīng)功能。此外，器件的可拉伸特性使得器件具有雙重響應(yīng)功能，即電壓驅(qū)動下的光學響應(yīng)功能和機械變形驅(qū)動下的光學響應(yīng)功能。

圖6 可拉伸液晶器件

  最后，研究人員指出，液晶器件是一種電壓驅(qū)動的器件，可以由離子驅(qū)動，而不一定需要由電子驅(qū)動。原則上講，所有的液晶器件都可以由離子導體來驅(qū)動。

  離子導體的種類繁多。這一工作首次展示了用離子導體來驅(qū)動液晶器件的可行性。不同種類的離子導體將賦予液晶器件新的性能。此外，基于離子導體的液晶器件獨特的柔軟特性，可以使得液晶器件在一些之前無法實現(xiàn)的場合，如可穿戴顯示屏，曲面顯示，可折疊顯示以及柔性光學調(diào)節(jié)器等，得到新的應(yīng)用。

  這一研究工作最近發(fā)表在Materials Horizons上。博士后楊燦輝是該論文的第一作者，鎖志剛教授為通訊作者。該工作由美國哈佛大學工程與應(yīng)用科學學院和西安交通大學航天航空學院合作完成。

參考文獻

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論文信息與鏈接：

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