水凝胶是一种由亲水性聚合物链交联而成的三维网络，具有良好的弹性、生物兼容性及刺激响应性等特点，广泛应用于生物医学、柔性设备、智能器件等领域。近年来，研究人员发现在水凝胶中引入各向异性结构会为其带来一系列新奇的理化特性及应用，如双折射及相应的干涉色。相比传统染料着色，干涉色更加逼真，并具有宽色域、高耐用性等优势，应用前景广阔。在水凝胶中引入各向异性的常见方法包括机械应力辅助、自组装、电场控制及3D打印等技术，但这些方法的均匀性及可控性较差，且会对材料造成损伤。同时受限于较小的双折射，现有报道的光学各向异性水凝胶只能展现出黑白变化，限制了其在光学领域的应用。
针对以上挑战，清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授团队利用磁场控制二维钴掺杂氧化钛液晶的取向，制备出一种具有大双折射值的光学各向异性水凝胶。这种磁场控制方法具有无损、高度均匀等优点，可实现各向异性的精确调控。同时，得益于二维结构极大的几何径厚比及磁化率各向异性，二维钴掺杂氧化钛液晶具有灵敏的磁响应，在小磁场下可高度有序排列，从而赋予水凝胶较大的双折射。
研究人员首先通过离子插层法制备了二维钴掺杂氧化钛液晶，而后在磁场下调控二维无机液晶分子的有序排列，再利用原位光聚合反应将各向异性引入水凝胶中。由于二维钴掺杂氧化钛液晶具有巨磁致双折射效应，故水凝胶制备过程所需的磁场强度较低（<1 T），并且水凝胶的双折射达到10-4，比现有报道值大一个数量级以上。这一大双折射可实现干涉色的宽光谱覆盖，且不同的干涉色可通过控制磁场、二维无机材料液晶浓度、光程及机械应力等多种参量进行调控，调控方法的多样性及颜色的丰富性使得此类水凝胶的个性化光学应用成为可能。基于这种各向异性水凝胶，研究人员制造并演示了一系列光学原型器件，包括光学相位延迟器、梯度光学衰减器、磁性透明彩色成像仪和可视化应力及温度探测器等，这为偏振光学领域的诸多应用如定制化光学元件、视觉增强设备、防伪标签等提供了新思路。
图1 基于二维无机材料液晶的各向异性水凝胶制备
图2 水凝胶光学各向异性表征
图3 透射式干涉色演化
图4 二维材料各向异性水凝胶光学应用展示
相关研究成果近日以“一种基于二维材料且具有可控干涉色的透射式水凝胶”（A 2D material–based transparent hydrogel with engineerable interference colours）为题发表在期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。论文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授，第一作者为清华大学深圳国际研究生院丁宝福博士和2017级硕士研究生曾鹏源，论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院2019级博士研究生黄子阳，博士后代立新，科研助理兰天姝、徐浩、潘意坤，罗雨婷博士，余强敏博士，成会明教授。该研究得到国家自然科学基金委、科技部、广东省科技厅、深圳市科创委等部门的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26587-z
文、图：许友安
编辑：叶思佳
封面设计：何语嫣
审核：林洲璐
