能可逆調(diào)控的液晶材料研究新進(jìn)展：

EHC ITO測試液晶盒（KSRO-02/B5）助力光控介電技術(shù)研發(fā)！

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在材料科學(xué)領(lǐng)域，介電常數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控是解鎖柔性電子、智能器件的鑰匙。然而傳統(tǒng)材料要么難以實現(xiàn)寬范圍可逆調(diào)節(jié)，要么受限于固體形態(tài)的剛性缺陷。近日發(fā)表于《Nature Communications》的研究，以 EHC ITO 測試液晶盒（KSRO-02/B5）為重點器件支撐，成功開發(fā)出一種光響應(yīng)型各向異性液晶流體，為介電常數(shù)調(diào)控技術(shù)提供了全新思路。

研究背景與意義

介電常數(shù)作為衡量材料極化能力的重要參數(shù)，直接影響材料的光學(xué)、電學(xué)及力學(xué)性能，在電容器、傳感器等器件中比較重要。但長期以來，這一參數(shù)的調(diào)控面臨雙重瓶頸：晶體材料雖介電常數(shù)高，卻因缺乏刺激響應(yīng)單元難以可逆調(diào)節(jié)；液晶等流體材料雖具備響應(yīng)潛力，卻受限于分子極性排序不足，介電常數(shù)普遍低于 100。

開發(fā)兼具 “寬范圍調(diào)節(jié)、快速響應(yīng)、長期穩(wěn)定" 特性的流體介電材料，成為研究柔性電子器件性能上限的重點。而器件的穩(wěn)定制備離不開可靠的基材支撐，本研究中選用的 EHC ITO測試液晶盒（KSRO-02/B5），憑借規(guī)整的電極結(jié)構(gòu)與良好的兼容性，為液晶材料的性能測試與器件演示提供了基礎(chǔ)載體。

研究步驟與過程

1. 材料制備

選取含 1,3 - 二氧六環(huán)單元的氟化液晶分子（DIO）作為主體，其可形成高極性鐵電向列相（N?）與中介相（M），二者介電常數(shù)差異顯著；設(shè)計合成四鄰位取代偶氮苯衍生物（Azo-F）作為光觸發(fā)器，通過藍(lán)綠光照射實現(xiàn)順反異構(gòu)化。將二者按不同比例混合，最終確定 4 wt% Azo-F 摻雜量為較優(yōu)配比。

2.       EHC ITO測試液晶盒（KSRO-02/B5）制備

EHC ITO測試液晶盒（KSRO-02/B5）

采用 EHC ITO測試液晶盒（KSRO-02/B5），經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后，以聚合物微珠為間隔物，用 UV 固化膠封裝成夾層式結(jié)構(gòu)（厚度 17.6-21.4 μm），通過毛細(xì)作用注入上述液晶混合物，完成器件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)搭建。

3. 光響應(yīng)性能與器件測試

在恒溫環(huán)境下，對 EHC ITO測試液晶盒（KSRO-02/B5）交替施加 415 nm 藍(lán)光（BL）與 525 nm 綠光（GL）照射，系統(tǒng)監(jiān)測材料的相態(tài)變化、介電特性及器件電容響應(yīng)，驗證光控調(diào)節(jié)的可逆性與穩(wěn)定性。

研究方法與表征作用

1. 紫外 - 可見光譜（UV-vis）

用于監(jiān)測 Azo-F 在溶液及液晶混合物中的光異構(gòu)化行為，確認(rèn)藍(lán)光、綠光可分別誘導(dǎo)其順式→反式、反式→順式轉(zhuǎn)變，為光控相轉(zhuǎn)變提供分子層面證據(jù)。

2. 介電譜測試

以 EHC ITO測試液晶盒(KSRO-02/B5)為測試對象，在不同光照與溫度條件下測定介電常數(shù)（ε'）與介電損耗（ε''），量化介電常數(shù)的調(diào)控范圍與響應(yīng)速度，是評估材料性能的方法。

3. 偏振光顯微鏡觀察

觀察 EHC ITO 測試液晶盒(KSRO-02/B5)內(nèi)液晶材料的光學(xué)紋理變化，直觀區(qū)分 N?相（高介電態(tài)）與 M 相（低介電態(tài)），驗證光誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)變的發(fā)生。

4. X 射線衍射（XRD）

分析液晶分子的排列結(jié)構(gòu)，證實光照引發(fā)的相轉(zhuǎn)變伴隨分子有序度變化，為介電常數(shù)差異提供結(jié)構(gòu)層面解釋。

5. 器件性能演示

基于 EHC ITO 測試液晶盒(KSRO-02/B5)構(gòu)建光控可變電容器，接入音頻振蕩電路，通過監(jiān)測聲音頻率變化反推電容調(diào)節(jié)效果，直觀展示材料的應(yīng)用潛力。

研究結(jié)果與分析

1. 光觸發(fā)器與混合體系性能

Azo-F 表現(xiàn)出優(yōu)異的光響應(yīng)特性：順式異構(gòu)體半衰期長達(dá) 128 天，可在黑暗中長時間維持低介電態(tài)；藍(lán)光、綠光照射下 30 秒內(nèi)即可完成異構(gòu)化，響應(yīng)速度滿足實用需求。4 wt% Azo-F 摻雜的 DIO 體系繼承了主體材料的相轉(zhuǎn)變特性，且光控相轉(zhuǎn)變溫度窗口適配室溫附近的器件應(yīng)用。

2. 介電常數(shù)調(diào)控

在 50℃條件下，EHC ITO 測試液晶盒(KSRO-02/B5 )內(nèi)的液晶材料經(jīng)綠光照射后進(jìn)入 M 相，介電常數(shù)降至～200；藍(lán)光照射后切換至 N?相，介電常數(shù)飆升至～18000，調(diào)控范圍達(dá) 200-18000，相對可調(diào)性高達(dá) 99.5%，為現(xiàn)有刺激響應(yīng)材料中的最高值。歷經(jīng) 100 次交替光照循環(huán)，介電常數(shù)無明顯衰減，穩(wěn)定性優(yōu)異。

3. 器件應(yīng)用驗證成功

基于 EHC ITO 測試液晶盒(KSRO-02/B5)的光控電容器，可通過藍(lán)綠光交替照射實現(xiàn)電容在 4-360 nF 間調(diào)節(jié)，對應(yīng)聲音頻率在 100-8500 Hz 范圍內(nèi)可逆變化，且頻率狀態(tài)可維持 5 分鐘以上，證實材料具備遠(yuǎn)程調(diào)控的實用價值。

研究價值與總結(jié)

1. 理論價值

本研究實現(xiàn)流體材料介電常數(shù)的寬范圍光控可逆調(diào)節(jié)，突破了傳統(tǒng)材料的性能瓶頸，明確了 “偶氮苯光異構(gòu)化 - 液晶相轉(zhuǎn)變 - 介電常數(shù)變化" 的作用機制，為介電材料的設(shè)計提供了新范式。EHC ITO 測試液晶盒(KSRO-02/B5)作為可靠的器件載體，確保了實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與器件演示的成功，體現(xiàn)了基礎(chǔ)材料對科研的支撐作用。

2. 應(yīng)用價值

這種基于 EHC ITO 測試液晶盒(KSRO-02/B5)的光控介電液晶材料，兼具流體的柔性、可加工性與介電調(diào)控的精準(zhǔn)性，可廣泛應(yīng)用于柔性電子、智能傳感器、光控器件等領(lǐng)域。其 100-8500 Hz 的頻率調(diào)控范圍，為音頻設(shè)備、無線通信等場景提供了新的技術(shù)方案。

3. 總結(jié)

本研究以 EHC ITO 測試液晶盒(KSRO-02/B5)為實驗器件基礎(chǔ)，成功開發(fā)出性能較好的的光控介電液晶材料，其 99.5% 的相對可調(diào)性與快速可逆的響應(yīng)特性，為柔性介電器件的發(fā)展開辟了新路徑。

參考文獻(xiàn)：

【1】Wang, L. & Li, Q. Photochromism into nanosystems: towards lighting up the future nanoworld. Chem. Soc. Rev. 47, 1044–1097 (2018).
【2】G.-Hanssens, A., Eisenreich, F. & Hecht, S. Enlightening materials with photoswitches. Adv. Mater. 32, 1905966 (2020).
【3】Kobatake, S. et al. Rapid and reversible shape changes of molecular crystals on photoirradiation. Nature 446, 778–781 (2007).