宽谱带光管理在军事隐身，光学信息通信和节能建筑中发挥着至关重要的作用。但是，传统光学玻璃，从无机玻璃到有机玻璃，都存在易碎和易刮伤的问题，也很少能对环境变化进行自我调节。近年来开发的智能窗户材料，包括金属氧化物和有机热致变色/电致变色复合材料等，则只能在窄的可见光谱范围内调节透明度，同时仍然受到力学脆弱性和复杂加工要求的限制。它们在光学和力学方面缺点的主要来源是，单一材料内部往往只有单一的光响应位点和单原子的桥接网络，例如，过渡金属氧化物在原子层面上通过电荷的注入和去除实现在透明和不透明状态之间的切换；液晶材料则通过调节介观有序度来改变可见光透射率；刺激响应水凝胶通过几十到几百纳米尺度的可逆相分离实现可见光透过率的调节。目前很少有单一材料的内部结构能从纳米到微米尺度可控调节定制， 也很少实现同时管理从紫外-可见-红外的宽谱带光，人们必须集成多种材料并折衷于复杂的多层处理。武培怡课题组以简便的方式调节材料的多尺度微纳结构，从而在新一代的光学玻璃上实现更丰富可调的光学和力学性能，拓展材料在生物安全、军事隐身、和节能环保方面的应用。

  这项工作通过调节分子的亲疏水性，实现多孔结构从纳米到微米的多尺度定制，制备了可实现紫外-可见-红外宽谱带光管理的新型水玻璃，并且在可见光范围内可设计响应温度，有望开发一种紫外光安全、红外隐身、冬暖夏凉的智能窗户。相关工作以”Hierarchical Network-Augmented Hydroglasses for Broadband Light Management”为题近期发表在国产期刊Research上（Research, vol. 2021, Article ID 4515164, ）

  雷周玥博士通过两亲性修饰传统有机玻璃的化学结构，开发了一种多层级网络增强的水玻璃（Hierarchical Network-Augmented Hydroglasses, HNAH），其中保留了α-甲基特征， 而有机玻璃中的酯基被亲水性可调的羧基取代。通过调节两亲性，单体前驱体溶液中出现可控的液液分离，从而可以通过限域聚合（Locally Confined Polymerization，LCP）在水玻璃中设计多层级网络。LCP与普通聚合反应不同，普通聚合反应中分子链通常是在均相体系中增长和交联。而LCP将聚合物链限制在局部的两亲域中的增长，形成多层级相分离网络，从而优化光学和力学性能。所制备的HNAH被纳米至微米多尺度的聚合物域物理交联。它不仅可以可逆地切换可见光区域的透射率，阻挡紫外和红外光，还具有缺口不敏感性、自我修复断裂和划痕的功能。

图1. 水玻璃的多层级结构的形成过程及表征。

图2. 多层级结构水玻璃的力学特征。其多尺度物理交联网络实现了自修复功能和缺口不敏感性。

图3. 多层级结构水玻璃的划痕自修复效果以及宽范围可调的温度响应特征。

图4. 从二维相关光谱的角度进一步分析了多层级结构水玻璃的分子机制、结构演变以及动态响应原理。

图5. 多层级水玻璃的紫外线屏蔽效果。

图6. 多层级水玻璃的红外隐身效果以及模拟智能窗户的降温效果。

  这项工作中通过LCP方法开发了具有多层级网络结构的多功能智能窗户材料HNAH。具有从纳米到微米的多尺度多层级网络的HNAH与普通均质透明玻璃不同，在室温下，它在可见区域具有很高的透明度，可以管理三个数量级的光波长，阻挡紫外波段的光，红外隐身，在高温下自动变色实现智能降温。此外，它还具有增强的力学性能，具有弹性，抗缺口性和自我修复能力。此外，这项工作还讨论了LCP和光管理过程中的分子相互作用和结构演变。关键的影响因素是其两亲性结构，尤其是α-甲基结构，不仅实现了LCP，而且还促进了相变过程中的结构演变。进一步地，LCP策略和分子机制也可能适用于其他光管理材料，从有机液晶到无机氧化物，进行多尺度微纳结构的定制，实现从紫外到红外区域的宽谱带光管理，促进智能窗户的发展，有益人类健康、减少建筑能耗并解决环境问题。

  该课题得到了国家自然科学基金面上项目（51973035）和重点项目 (51733003) 的资助与支持。文章第一作者为雷周玥博士，通讯作者为武培怡教授。

  论文链接 https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/4515164