西安交通大学研究团队在柔性智能光学超材料领域取得重要进展

在现代智能材料与自适应光学系统领域，开发兼具优异光学性能、机械韧性和环境耐受性的材料，是实现其在智能窗户、柔性显示等场景中实际应用的关键。热致变色材料（TCMs）能够响应温度变化动态调节透光性，是构建下一代智能光学器件的理想候选材料。然而，如何协同其光学切换性能、机械强度，并使其能够在严寒、高温、潮湿等复杂环境下稳定工作，仍是该领域面临的一项重大挑战。

针对这一挑战，西安交通大学物理学院的研究团队提出了一种创新的材料设计与制备策略，成功研发出一种坚韧的非对称热致变色离子凝胶（ATI）薄膜。该研究通过巧妙的“动态-原位相分离”方法，将热响应光散射层与机械支撑层共价结合，制备出具有“Janus”非对称结构的离子凝胶薄膜。

图1 非对称热致变色离子凝胶（ATI）的设计策略和性能：a. ATI的横截面示意图；b. ATI中上下层凝胶各自对应的聚合物网络；c. ATI凝胶承受车辆碾压时表现的机械性能；d. ATI在常见高温（40°C）和极端寒冷（-70°C）环境下的光学透明度; e. ATI和已报导的热致变色材料在多个维度上的综合性能比较；f. ATI凝胶局部加热区域（左）用作投影显示的效果

这种协同设计使其在室温下具有高透明度（>85%），在34°C左右发生快速、可逆的透明-不透明切换（40°C时透光率<10%）。得益于离子液体基质的特性，材料展现出卓越的耐低温性能，在-70°C乃至液氮温度（-196°C）下仍能保持透明，有效克服了传统水凝胶材料易冻结失效的难题。同时，材料具备优异的机械韧性，拉伸强度超过5MPa，韧性超过17 MJ/m³。此外，材料表面丰富的疏水基团和极性基团，使其兼具超疏水性（水接触角>135°）和自粘附性。其在玻璃上的90度剥离强度超过400 N/m，可直接牢固粘贴于多种透明基材（如玻璃、PMMA、PC等）表面工作，无需额外的刚性封装，极大提升了应用的便捷性与可靠性。作为被动热致变色智能窗贴膜，该材料能根据环境温度自动调节太阳光透射，其太阳能总透射率调制能力（ΔT_sol）高达56.8%。在夏季午间实测中，装有该智能窗的模型屋内温度可比普通玻璃窗降低约10°C，显示出显著的节能降温潜力。研究团队进一步利用材料的电热响应特性，在被动式智能窗的基础上开发了主动光学切换平台，通过间接焦耳加热可在材料上实现动态信息显示，通过直接焦耳自加热（利用离子导电性），可使整个材料转变为不透明态，作为柔性投影屏幕使用，实现了艺术画作的高清投影。

该工作通过动态原位相分离策略，成功将快速热致变色、极端环境耐受、高机械韧性及强基材粘附等性能集成于一体，为构建适用于全天候条件的自适应光学系统（如节能建筑、交互式显示）提供了一个可扩展的高性能材料平台。

该成果以“Tough asymmetric thermochromic ionogels via dynamic in situ phase separation for dual-modal smart optical switching”为题发表于国际权威期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。西安交通大学物理学院为论文唯一通讯单位，第一作者为物理学院2024级博士生杜国立，物理学院卢学刚教授、杨森教授为论文通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国载人航天工程空间应用系统项目以及陕西省自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70830-4