智能光学纳米材料

智能光学纳米材料也称响应性光学纳米材料，可以通过颜色或者光学信号强度变化来响应外界刺激，或通过外加刺激来产生需要的光学变化，是近年来非常活跃的研究领域。目前，可用于设计响应性纳米光学材料的结构包括光子晶体、等离子体纳米材料、液晶纳米材料和荧光材料。虽然这些材料广泛应用于开发形形色色的智能纳米光学器件，人们对于其具体的设计原理和工作方式并没有形成广泛的共识。基于此，加州大学河滨分校的殷亚东教授（点击查看介绍）团队以“Hall of Fame Article”的形式在Advanced Materials 的创刊30周年特辑上发表了综述文章“Stimuli-responsive Optical Nanomaterials”，以该团队的研究工作为主，归纳总结了近三十年来这一领域的研究进展。

牛顿在1666年发现白光在三棱镜折射下可呈现连续的彩色光谱。在随后的光学实验中，他使用“spectrum”（拉丁文的意思为“appearance”）一词来描述一些光学现象。随着纳米材料的兴起，科学家们开始以一种更为高效的方式来引导光的传播。这种控制是基于调控在与光波长相当的纳米维度上物质与光的相互作用实现的。在过去的三十年中，许多科学研究工作者都投入了大量精力以开发能够感知外界化学或者物理刺激的智能响应光学材料，利用的刺激方式包括磁、热、电、光学、机械和化学方式。响应性光学纳米材料的工作原理包括改变材料周围的介电常数、纳米颗粒的距离、各向异性纳米材料的取向以及纳米材料本身的物理化学性质等。

图1.（a）智能光学纳米材料的典型光学现象；（b）智能光学纳米材料在不同外部刺激下的工作原理。

在可调光子晶体方面，该综述详细讨论了殷亚东教授团队发展的一种超顺磁胶体纳米团簇，在外加磁场作用下，这些粒子可以组装成有序结构，产生的结构色可以通过外加磁场的强弱在可见光范围内连续可调（图2）。

图2. 超顺磁胶体纳米团簇的形貌、组装和形成的结构色

在响应性的等离子激元纳米材料中，该团队利用组装的方法把金纳米棒组装到磁性纳米棒的表面，通过外加磁场可以调节该复合纳米结构的取向来实现其横向和纵向等离子激元的选择性激发（图3）。该综述还讨论了实现等离子激元纳米材料光学可调的其它方法，包括组装、表面和结构重构、调节材料或者周围的介电性质等。

图3. 磁-等离子激元复合纳米材料的表征和光学性质

近年来，基于染料或颜料的智能变色得到研究人员的广泛关注，其在可擦写纸张、智能变色玻璃等领域展现出巨大的潜力。该综述讨论了在此背景下，殷亚东教授团队开发的基于二氧化钛纳米光催化剂的智能可擦写纸。通过调节二氧化钛的光催化性能，他们实现了光控染料/颜料的氧化还原反应，从而达到可逆变色的目的。这些材料可以很容易地复合到普通纸张上，在一定波长的光照射后，可以实现在纸张上打印文字或图案。在日常阅读条件下，打印内容数天不褪色。需要擦除时，纸张在115 ℃下处理几分钟，打印的内容就可以被抹去。此类智能可擦写纸可重复利用80次以上。

图4. 染料的可逆氧化还原反应以及在可擦写纸张中的应用。

该综述还总结了响应性液晶和荧光材料的研究进展。值得一提的是，利用磁性纳米棒在外加磁场中的择优取向，该团队还研发了一种磁性可调的液晶纳米材料。通过调节外加磁场的方向，磁性纳米棒的取向发生相应变化，在偏振片的帮助下可以实现光路的开关。这种新型磁性调控的液晶在显示、防伪、打印方面具有潜在的应用前景。

图5. 磁性纳米棒在磁控液晶纳米材料中的应用

最后，该综述阐述了智能纳米光学材料未来的机遇和挑战，并且强调了利用纳米材料的合成和界面化学来解决目前这些挑战的可能性。令人欣慰的是，综述所提及的一些响应性材料在很多智能设备上的应用已经证明可行，比如可擦写纸、智能窗户、压力以及生物化学传感器、磁性全彩色打印等。经过一段时间的继续完善，这些智能光学纳米材料有望在将来为日常生活带来更富科技感、方便快捷、绿色环保的光学器件和设备。

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Stimuli-responsive Optical Nanomaterials

Zhiwei Li, Yadong Yin

Adv. Mater., 2019, 31, 1807061, DOI: 10.1002/adma.201807061

殷亚东教授简介

殷亚东，加州大学河滨分校教授，1996年及1998年于中国科学与技术大学获得学士及硕士学位，2002年于美国华盛顿大学获博士学位（导师为夏幼南教授），之后在美国加州大学伯克利分校与劳伦兹伯克利国家实验室工作（导师为A. Paul Alivisatos院士），2006年起就职于加州大学河滨分校。

殷亚东的研究领域包括纳米材料的合成、表征与应用，光子晶体的组装和应用，胶体和界面化学，在这些领域产生了一定的国际影响力；入选2011年Thomson Reuters公布的全球顶尖百名化学家（Top 100 Chemists, 2000-2010）和全球顶尖百名材料学家（Top 100 Materials Scientists，2000-2010）名单；在相关领域发表SCI论文300余篇，包括Science、Nature及Nature子刊、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Letters、Advanced Materials 等国际著名刊物，总引用76000多次，H-index为104。殷亚东在教学方面也取得了丰硕的成果，所指导的学生、博士后以及访问学者在诸多科研院校任职，并获得了各种荣誉。

殷亚东

https://www.x-mol.com/university/faculty/3117

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