北理工方岱寧院士團(tuán)隊(duì)在材料類頂級(jí)期刊Adv. Funct. Mater.上發(fā)表文章
發(fā)布日期：2018-11-22 供稿：先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院
編輯：吳楠 審核：楊亞政 閱讀次數(shù)：
2018 年11月17日,，著名材料學(xué)期刊 《先進(jìn)功能材料》 （Advanced Functional Materials, 2018, 1806383.）在線報(bào)道了北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院方岱寧院士,，陳浩森副教授，和宋維力副教授合作領(lǐng)導(dǎo)研究的一種全新的基于電化學(xué)精確控制的,，硅基電化學(xué)-力學(xué)-光學(xué)耦合仿生變色器件,。該項(xiàng)研究基于全新的電化學(xué)-力學(xué)耦合變色調(diào)控機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了可見光寬頻段精確調(diào)控,，并具有獨(dú)特的彩色/銀色切換功能,。
近年來(lái)，具有精確調(diào)控寬頻帶顯色材料和器件吸引了越來(lái)越多研究人員的關(guān)注,。仿生結(jié)構(gòu)變色材料在偽裝工程,，信號(hào)通訊,，以及熱控領(lǐng)域展示出了廣泛的應(yīng)用前景。目前,，大多數(shù)的仿生結(jié)構(gòu)變色材料需要復(fù)雜的制備工藝,，特定多種材料的融合，其調(diào)控范圍僅針對(duì)可見光的特定頻段區(qū)間,，甚至有些仿生結(jié)構(gòu)變色器件往往是預(yù)先設(shè)計(jì)的,，難以實(shí)現(xiàn)自主變色調(diào)控功能。
圖1 通過(guò)模擬章魚皮膚變色機(jī)理設(shè)計(jì)電化學(xué)精確調(diào)控變色硅膜
大自然中有多種能夠自適應(yīng)變色偽裝的生物,，以章魚為例,，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，章魚能夠通過(guò)主動(dòng)調(diào)控皮膚細(xì)胞中蛋白質(zhì)的體積來(lái)改變光在不同界面的相位差,，從而實(shí)現(xiàn)皮膚變色。方岱寧課題組通過(guò)設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定可逆膨脹的硅膜電極,，模仿章魚皮膚變色機(jī)理,，巧妙地利用嵌鋰電位（<1 V），精確控制鋰離子在硅薄膜中的脫嵌行為,，實(shí)現(xiàn)硅膜的高精度體積變化調(diào)控,，改變硅膜結(jié)構(gòu)對(duì)光線反射產(chǎn)生干涉消光條件，獲得一系列絢麗色彩,。值得一提的是,，調(diào)控硅薄膜中的嵌鋰程度，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)閉或開啟光線干擾作用,，器件可以實(shí)現(xiàn)彩色至銀色的切換功能,。
該團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論模擬進(jìn)一步研究了該仿生變色器件中的電化學(xué)力學(xué)耦合變色機(jī)理。采用橢偏儀測(cè)試了其不同鋰化程度下的納米硅薄膜的光學(xué)常數(shù)（折射率和消光系數(shù)）,，以及相對(duì)應(yīng)的納米硅薄膜的厚度,，驗(yàn)證了鋰化納米硅薄膜的化學(xué)演化過(guò)程。通過(guò)建立光學(xué)理論模型,，預(yù)測(cè)出不同嵌鋰程度下的器件反射率,，其預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該仿生變色器件的調(diào)控機(jī)理,。
圖2 光學(xué)理論模型建立
該仿生結(jié)構(gòu)變色器件具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用前景,，改變硅薄膜的初始厚度和導(dǎo)電集流體顏色，可以任意定制所需要的顏色調(diào)控范圍,。通過(guò)光刻技術(shù),，可以定制各種顯色圖案。并且,，該變色系統(tǒng)和硅基鋰離子電池具有良好的兼容性,，在硅基鋰離子電池的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控中也有巨大的應(yīng)用前景,。
圖3 變色器件在光學(xué)顯示中的應(yīng)用
該項(xiàng)研究成果首次報(bào)道了納米硅薄膜在嵌鋰過(guò)程中的變色現(xiàn)象，揭示了其中的電化學(xué)力學(xué)耦合變色機(jī)理,，設(shè)計(jì)制備了基于硅負(fù)極的仿生變色器件,，為今后的仿生結(jié)構(gòu)變色材料的研究開辟了一個(gè)全新的方向。該課題組研究人員認(rèn)為,，進(jìn)一步優(yōu)化變色薄膜的結(jié)構(gòu),，可以實(shí)現(xiàn)更高穩(wěn)定性的仿生結(jié)構(gòu)變色器件。同時(shí)獨(dú)特的電化學(xué)力學(xué)調(diào)控變色機(jī)理具有極強(qiáng)的普適性,，可以適用于具有脫嵌鋰體積收縮膨脹效應(yīng)的其他材料,。
北京理工大學(xué)方岱寧院士、陳浩森副教授,、宋維力副教授為本文的共同通訊作者,。北京大學(xué)博士生鮑垠樺、北京理工大學(xué)碩士生韓雨為本文的共同第一作者,。參與該工作的還有北京理工大學(xué)陳人杰教授,，美國(guó)華盛頓大學(xué)的Alex K.Y. Jen教授，美國(guó)馬里蘭大學(xué)李騰教授,，香港城市大學(xué)羅敬東教授,。此外，特別感謝北京理工大鐘海政教授的討論和幫助,。
文獻(xiàn)鏈接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201806383
附團(tuán)隊(duì)介紹：
方岱寧,，教授，博士生導(dǎo)師,，中國(guó)科學(xué)院院士,，先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院名譽(yù)院長(zhǎng)兼首席科學(xué)家。主要從事力電磁熱多場(chǎng)耦合作用下先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)理論,、計(jì)算與實(shí)驗(yàn)方法研究,。拓展了鐵電/鐵磁材料宏微觀變形與斷裂理論，在有限元分析與器件設(shè)計(jì)中獲得應(yīng)用,；發(fā)展了輕質(zhì)多功能復(fù)合材料力電磁熱多場(chǎng)多尺度計(jì)算力學(xué)方法與設(shè)計(jì)制備方法,，并將所制備的輕質(zhì)多功能材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)用于國(guó)防裝備建設(shè)；發(fā)展了先進(jìn)材料力電磁熱多場(chǎng)多軸加載和測(cè)試技術(shù)與實(shí)驗(yàn)方法,，將基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為十余種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科學(xué)儀器,，并獲得推廣應(yīng)用。方岱寧院士團(tuán)隊(duì)能源電池小組成立于2015年,，由先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院陳浩森副教授與宋維力副教授共同負(fù)責(zé),，主要從事力化電熱多場(chǎng)耦合環(huán)境下的能源電池電極材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制備,、表征與儀器研制,，成立3年以來(lái),，已經(jīng)在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials、Mechanics of materials, ACS Nano, Energy Storage Materials, J Power Source等國(guó)際頂級(jí)期刊上發(fā)表高水平論文20多篇,。
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