武培怡教授AFM：一種應用于手性光學和先進紡織品的仿生超液晶纖維

CYM 3年前 (2020-06-01) 4137瀏覽

【引言】?

膽甾相液晶（LCs）在生物中無處不在，同時由于其迷人的結構和光學特性而備受關注。纖維素納米晶體（CNCs）是自然界中具有手性的典型生物衍生納米棒，可以自發形成具有強烈雙折射現象的左旋膽甾相LCs。雖然在圖案化、光學識別、光學編碼和傳感器等方面有廣泛的應用，相比結構復雜的天然LCs體系，由于納米膠體液晶的熱力學不穩定性，目前只有在薄膜材料中才會形成長程有序的膽甾相LCs結構。因此，具有空間結構和連續拓撲結構的人工膽甾相LCs的形成和穩定具有一定挑戰性。為此，研究者通過微流控聚焦液滴發生器將納米膠體LCs制備成微液滴或微球。在受幾何和拓撲法則支配的微球中，膽甾相LCs的微球展現出徑向放射狀的拓撲結構，這種獨特的結構可用于全向光學控制。盡管這種方法用于制備膽甾相結構的均勻微球已經很成熟，但是，現有策略制備具有獨特內部結構的非球形液晶材料仍然很困難。另外，與完全封閉的球形幾何形狀相比，具有無限擴展軸對稱空間的圓柱形幾何可能會產生意想不到的膽甾相LCs。然而，對于膽甾相LCs在連續圓柱幾何中的演化過程和光學特性仍是一個尚未探索的研究領域。

近日，復旦大學博士生劉艷軍（導師武培怡教授）受蜘蛛紡絲工藝的啟發，報道了棒狀CNCs在原位形成的連續光滑的水凝膠微管中自組裝，以制備分層超液晶（LMC）纖維。其中，LMC纖維具有跨越不同尺度的復雜結構：長程膽甾序（納米尺度），3D拓撲缺陷（微米尺度）和芯-鞘結構（宏觀尺度）。海藻酸鈉（Na-Alg）和Ca2+快速交聯形成的水凝膠鞘層，提供了穩定和連續的組裝環境。此外，LMC纖維具有CNCs對齊穩定性、拓撲結構可編程性、偏振光方向和強度可控性。相關研究成果以“Bioinspired Hierarchical Liquid-Metacrystal Fibers for Chiral Optics and Advanced Textiles”為題發表在Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、通過微管道限制制造分層LMC纖維

（a）LMC纖維的制備過程；

（b）描述膽甾相LCs在LMC纖維中形成的示意圖；

（c）模擬LMC纖維表面在凝固浴中的剪切應力場分布；

（d，e）LMC纖維在交叉偏振場中的POM圖像，以及在加入λ玻片的交叉偏振場中的POM-λ圖像；

（f）純CNCs(2wt%)、注射液和LMC纖維的CD譜。

圖二、LMC纖維內的3D拓撲構型

（a）制備過程中螺旋LMC纖維的示意圖；

（b，c）LMC纖維徑向截面的POM圖像和相應的POM-λ圖像；

（d）LMC纖維徑向截面的SEM圖像，黃色虛線說明LMC的對齊方向；

（e，f）POM圖像中顯示沿LMC纖維軸向的亮暗條紋，以及對應的帶有紅-藍色條紋的POM-λ圖像；

（g）垂直的LMC纖維和傾斜7°的LMC纖維POM-λ圖像。

?圖三、線性和圓偏振光的控制

（a）LMC纖維的POM-λ圖像顯示，隨著順時針旋轉，顏色周期性地從藍色變為紅色；

（b）LMC纖維徑向截面在0°和90°時的POM-λ圖像；

（c）在4.0 mL min-1的流速下獲得的具有反向旋光性的LMC纖維；

（d）隨著角度的變化，通過LMC纖維的線性偏振光光強變化；

（e）隨著角度的變化，通過LMC纖維的圓偏振光CD強度變化；

（f）LMC纖維在不同角度（0°、30°、45°、60°和90°）的CD光譜；

（g）在不同應力狀態下，LMC纖維的透射色變化；

（h）機械-光學響應的LMC纖維呈可逆的竹節狀結構。

圖四、用于手性光學的可編程的LMC構型

（a）在空氣中，水分蒸發時LMC纖維的收縮方向示意圖；

（b）失水過程中，LMC纖維的顏色變化；

（c）在玻璃基板上，水分蒸發時LMC纖維收縮方向的示意圖；

（d）通過施加外部應力，定制LMC纖維的光學外觀；

（e）同直徑的兩條相交LMC纖維，展現出不同的光學外觀組合；

（f）基于不同光學外觀組合的LMC纖維的偏振光編碼示意圖；

（g）干燥的LMC纖維織成的高級紡織品的照片；

（h）用于識別身份的不同編碼顏色的高級織物示意圖。

【小結】

總之，作者基于一種簡單的微流控策略，通過CNCs在原位形成的水凝膠鞘內自組裝，成功制備了具有芯-鞘結構的分層LMC纖維。在LMC纖維的芯層中，長程膽甾相LCs組成3D拓撲構型，這種構型具有徑向放射狀拓撲結構和軸向“麥穗狀”拓撲結構。基于這種獨特的拓撲構型，LMC纖維具有偏振光方向和強度可控性，可用于手性光學傳感、偏振加密和先進紡織品等領域。重要的是，通過簡單地調節注射流流量、外部應力和纖維的含水量，可以精確地控制LMC構型。作者首次展示了膽甾相LCs在連續微管道幾何中的演化過程和光學特性，同時這種組裝策略對于其他的納米膠體LCs制備復雜結構的纖維狀材料是通用和有效的。

文獻鏈接：“Bioinspired Hierarchical Liquid-Metacrystal Fibers for Chiral Optics and Advanced Textiles”(Adv. Funct. Mater.，2020，10.1002/adfm.202002193)

武培怡

教授，博士生導師

國家杰出青年基金獲得者(2004)，英國皇家化學會會士

Email:?wupeiyi@dhu.edu.cn；peiyiwu@fudan.edu.cn

主要研究方向：

二維相關光譜在聚合物體系中的應用

仿生材料

聚合物功能膜

代表性工作：

  1. Zhouyue Lei, and Peiyi Wu*. A Highly Transparent and Ultra-Stretchable Conductor with Stable Conductivity During Large Deformation.?Nat.?Commun.2019, 10, 3429.
  2. Fei Lv, Zesheng An*, and Peiyi Wu*. Scalable Preparation of Alternating Block Copolymer Particles with Inverse Bicontinuous Mesophases. Nat.?Commun.?2019, 10, 139
  3. Zhouyue Lei, and Peiyi Wu*. A Supramolecular Biomimetic Skin Combining a Wide Spectrum of Mechanical Properties and Multiple Sensory Capabilities.Nat.?Commun.??2018, 9, 1134.
  4. Zhouyue Lei, Quankang Wang, Shengtong Sun, Wencheng Zhu, and Peiyi Wu*. A Bioinspired Mineral Hydrogel as a Self-Healable, Mechanically Adaptable Ionic Skin for Highly Sensitive Pressure Sensing.?Adv. Mater.
    2017, 29, 1700321.
  5. Shengjie Xu, Dian Li, and Peiyi Wu*. One-Pot, Facile, and Versatile Synthesis of Monolayer MoS2/WS2 Quantum Dots as Bioimaging Probes and Efficient Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction.?Adv .Funct. Mater. 2015, 25, 1127-1136.

本文由CYM編譯供稿。

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