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来源：高分子科学前沿收集编辑：高分子科学前沿
智能材料利用自身结构的独特性可对入射光行为进行动态管理及调控光透射率，可应用于隐私防护、光污染治理、降低建筑能耗等领域。通过掺杂光敏性纳米颗粒、电沉积活性组分、整合热响应聚合物等方法，可开发光致变色、电致变色、热致变色等作用机制的光控材料与智能窗器件。然而，由于智能材料结构上的自身脆性、组分整合衍生的界面缺陷或材料属性不匹配导致的机械应力集中等问题，对于开发具有机械抗冲击性，兼具快速光响应、低热导性、稳定/循环耐用的智能光控材料与智能窗器件依然具有挑战性。
近日，沈阳化工大学赵大伟教授团队与东北林业大学于海鹏教授团队提出了一种溶液诱导超分子构型调控策略，基于分子尺度对纤维素大分子链及聚丙烯酰胺分子的空间构型与超分子网络模式进行动态设计与整合，通过调控纤维素与聚丙烯酰胺分子间的卷曲强度，设计了一种在乙醇逃逸与捕获双重操作中微观结构稳定、密集纳米凸起形貌的溶液致变色醇凝胶（Solvatochromic alcogel）。得益于分子状态乙醇的快速逃逸与捕获，Solvatochromic alcogel展现了出色的光调控与热管理性能，如宽的光透射率调控范围85%-5%、快速的光切换响应<8 s、超180次的循环切换寿命及低的导热行为0.214 W m−1 K−1。同时，Solvatochromic alcogel的超分子构型卷曲铸造赋予了自身强悍的机械性能，拉伸强度可达13.65 MPa、弹性模量超60 MPa、比抗变形强度16.39 kJ m−1 (g cm−3)−1（优于同等厚度的金属铝板）。基于Solvatochromic alcogel开发的智能窗器件不仅可以实时可靠地进行光行为调控，同时展示出高达42.8 kJ m−2的强机械抗冲击性，分别是普通玻璃和商用光致变色窗的10倍与12倍。该分子尺度的超分子调控策略为生物凝胶在智能窗及其他智能器件中的应用开辟了新的机遇。该研究以“Robust Solvatochromic Gels for Self‐defensive Smart Windows”为题发表于最新一期《Advanced Functional Materials》期刊，文章第一作者为沈阳化工大学硕士研究生陈珊。该研究首先在分子尺度利用原位诱导聚合构建了纤维素-聚丙烯酰胺超分子体系，随后利用乙醇原位刺激调控聚丙烯酰胺分子链的卷曲强度，制得初始状态透明的Solvatochromic alcogel，其透光率高达85%。当乙醇分子挥发逃逸时，Solvatochromic alcogel的透光率会降至5%，呈现出完全白化现象（图1）。这种透明-白色-透明间的动态循环切换短于8 s，优于大部分已报道的光智能材料，这赋予Solvatochromic alcogel很好的潜力应用于智能窗领域。图1. Solvatochromic alcogel的构建与性能研究如图2所示，Solvatochromic alcogel在可见光范围内可动态稳定切换180次（透光率85%-5%之间）。与其他光智能材料相比，Solvatochromic alcogel的透光率调控范围具有更大优势且白色状态下雾度值接近100%，这使得Solvatochromic alcogel在乙醇逃逸状态下能最大程度的屏蔽太阳光线，达到调控热传导行为与起到信息防护等作用。通过DFT模拟、SEM及GIWAXS等分析表明，乙醇刺激调控的聚丙烯酰胺分子依附于纤维素分子骨架的卷曲行为赋予了Solvatochromic alcogel密集的超分子网络构效及衍生出形貌规整且紧凑的纳米凸起结构（图3），这使得Solvatochromic alcogel呈现出独特的光调控特性，且势必会大幅提升Solvatochromic alcogel的机械性能。如Solvatochromic alcogel的抗拉伸强度、弹性模量、比抗冲击强度值分别达到13.65 MPa、60.6 MPa及42.8 kJ m−2，优于普通玻璃、钢化玻璃、商用智能玻璃等材料。图3. Solvatochromic alcogel微观结构与形貌探究基于Solvatochromic alcogel出色的光调控性能及强悍的机械力学特性，开发了一种集刺激循环系统、溶剂调控室、气流控制系统于一身的自防御智能窗器件。该自防御智能窗可循环调控光响应行为超100次，且可根据需要实时调控智能窗的光透过率值（图4）。相比于已报道的智能窗，该自御智能窗展现出低的导热系数0.214 W m−1 K−1，在实现建筑节能、自我防御及降低建筑碳足迹等领域展现出很好的潜力应用。图4.基于Solvatochromic alcogel的自防御智能窗研究总结：本文提出了一种分子尺度的超分子构型调控策略来制备高性能溶剂变色醇凝胶，即Solvatochromic alcogel。这种Solvatochromic alcogel表现出快速的光开关和强悍的机械性能，并基于其开发的自防御智能窗也表现出动态、可靠、可循环的光开关行为及机械抗破损性。通过分子模拟与实验验证相表明该醇凝胶优势性能源于纤维素-聚丙烯分子间协同的超分子卷曲和连贯分子拓扑结构，该设计策略可推广至其他生物质材料及聚合物，用于指导和开发其他功能性智能材料与智能器件。--纤维素推荐--
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202214382声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！