北理工方岱寧院士團隊在材料類頂級期刊Adv. Funct. Mater.上發(fā)表文章
發(fā)布日期：2018-11-22 供稿：先進結(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，著名材料學期刊 《先進功能材料》 （Advanced Functional Materials, 2018, 1806383.）在線報道了北京理工大學先進結(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導研究的一種全新的基于電化學精確控制的，硅基電化學-力學-光學耦合仿生變色器件。該項研究基于全新的電化學-力學耦合變色調(diào)控機理，實現(xiàn)了可見光寬頻段精確調(diào)控，并具有獨特的彩色/銀色切換功能。
近年來，具有精確調(diào)控寬頻帶顯色材料和器件吸引了越來越多研究人員的關(guān)注。仿生結(jié)構(gòu)變色材料在偽裝工程，信號通訊，以及熱控領域展示出了廣泛的應用前景。目前，大多數(shù)的仿生結(jié)構(gòu)變色材料需要復雜的制備工藝，特定多種材料的融合，其調(diào)控范圍僅針對可見光的特定頻段區(qū)間，甚至有些仿生結(jié)構(gòu)變色器件往往是預先設計的，難以實現(xiàn)自主變色調(diào)控功能。
圖1 通過模擬章魚皮膚變色機理設計電化學精確調(diào)控變色硅膜
大自然中有多種能夠自適應變色偽裝的生物，以章魚為例，當外界環(huán)境發(fā)生改變時，章魚能夠通過主動調(diào)控皮膚細胞中蛋白質(zhì)的體積來改變光在不同界面的相位差，從而實現(xiàn)皮膚變色。方岱寧課題組通過設計具有穩(wěn)定可逆膨脹的硅膜電極，模仿章魚皮膚變色機理，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，實現(xiàn)硅膜的高精度體積變化調(diào)控，改變硅膜結(jié)構(gòu)對光線反射產(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，可以實現(xiàn)關(guān)閉或開啟光線干擾作用，器件可以實現(xiàn)彩色至銀色的切換功能。
該團隊通過實驗和理論模擬進一步研究了該仿生變色器件中的電化學力學耦合變色機理。采用橢偏儀測試了其不同鋰化程度下的納米硅薄膜的光學常數(shù)（折射率和消光系數(shù)），以及相對應的納米硅薄膜的厚度，驗證了鋰化納米硅薄膜的化學演化過程。通過建立光學理論模型，預測出不同嵌鋰程度下的器件反射率，其預測結(jié)果和實驗測試吻合，進一步驗證了該仿生變色器件的調(diào)控機理。
圖2 光學理論模型建立
該仿生結(jié)構(gòu)變色器件具有很強的設計應用前景，改變硅薄膜的初始厚度和導電集流體顏色，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時監(jiān)控中也有巨大的應用前景。
圖3 變色器件在光學顯示中的應用
該項研究成果首次報道了納米硅薄膜在嵌鋰過程中的變色現(xiàn)象，揭示了其中的電化學力學耦合變色機理，設計制備了基于硅負極的仿生變色器件，為今后的仿生結(jié)構(gòu)變色材料的研究開辟了一個全新的方向。該課題組研究人員認為，進一步優(yōu)化變色薄膜的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)更高穩(wěn)定性的仿生結(jié)構(gòu)變色器件。同時獨特的電化學力學調(diào)控變色機理具有極強的普適性，可以適用于具有脫嵌鋰體積收縮膨脹效應的其他材料。
北京理工大學方岱寧院士、陳浩森副教授、宋維力副教授為本文的共同通訊作者。北京大學博士生鮑垠樺、北京理工大學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陳人杰教授，美國華盛頓大學的Alex K.Y. Jen教授，美國馬里蘭大學李騰教授，香港城市大學羅敬東教授。此外，特別感謝北京理工大鐘海政教授的討論和幫助。
文獻鏈接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201806383
附團隊介紹：
方岱寧，教授，博士生導師，中國科學院院士，先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院名譽院長兼首席科學家。主要從事力電磁熱多場耦合作用下先進材料與結(jié)構(gòu)的力學理論、計算與實驗方法研究。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計中獲得應用；發(fā)展了輕質(zhì)多功能復合材料力電磁熱多場多尺度計算力學方法與設計制備方法，并將所制備的輕質(zhì)多功能材料與結(jié)構(gòu)應用于國防裝備建設；發(fā)展了先進材料力電磁熱多場多軸加載和測試技術(shù)與實驗方法，將基礎研究成果轉(zhuǎn)化為十余種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的科學儀器，并獲得推廣應用。方岱寧院士團隊能源電池小組成立于2015年，由先進結(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責，主要從事力化電熱多場耦合環(huán)境下的能源電池電極材料與結(jié)構(gòu)的設計、制備、表征與儀器研制，成立3年以來，已經(jīng)在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials、Mechanics of materials, ACS Nano, Energy Storage Materials, J Power Source等國際頂級期刊上發(fā)表高水平論文20多篇。
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