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中科院理化所在新型手性結構色材料研究方面取得新進展 近日，PNAS雜志報道了中科院理化技術研究所李明珠研究員課題組和復旦大學石磊教授課題組在新型手性結構色材料的研究上取得的最新進展。該工作首次發(fā)現(xiàn)基于聚合物材料的微半球具有寬帶可調和多重偏振態(tài)可調的手性結構色，其不對稱因子高達1.998。該項研究解決了傳統(tǒng)手性結構色材料依賴特殊的成分、精細的納米結構和單一的偏振調制等問題，在立體顯示、生物傳感、量子通信和信息安全等領域將得到廣泛應用（PNAS, 2025, 122, e2419113122）。 手性結構色材料具有多重光學可調自由度（包括波長、振幅、偏振和相位等），可攜帶高維信息，是大容量信息存儲和加密的理想材料。受自然界生物的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了各種具有增強手性活性、動態(tài)手性和可調顏色的人工手性結構色材料，如手性分子修飾的光子晶體、螺旋自組裝體、手性液晶和手性超材料。然而，這些人工手性結構色材料受限于特殊的成分和精密的納米結構。同時，這些材料通常展現(xiàn)出單手性，限制了其調控光的多重偏振態(tài)的能力。因此，開發(fā)簡單易制備、具有全偏振操縱能力的手性結構色材料仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。 在本研究中，研究人員首次發(fā)現(xiàn)了由聚合物材料制備的微半球（稱為微半球手性結構色材料）具有偏振依賴的手性光學響應特點，其不對稱因子高達1.998。研究人員從理論和實驗上證明了微半球的手性光學響應是來源于線偏振光入射時，線偏振光的兩個分量（s分量和p分量）之間經過多次全內反射產生了π/2的相位差。微半球的結構色和圖案則可以由簡便、精確、高效的數字打印方法編程定制。另外，微半球還具有多重的偏振態(tài)和寬帶可調的手性光學響應。利用微半球反射光偏振態(tài)的非均勻空間分布特點，研究人員通過調控入射光的偏振方向，實現(xiàn)了全彩結構色亮度的連續(xù)精確調控。同時，由于微半球的色調和亮度對其形態(tài)和入射偏振方向非常敏感，因此可以通過設計微半球的排列和入射光的偏振角來編碼不同的信息。進一步，研究人員模仿基于虹膜的身份識別系統(tǒng)，提出了將微半球與隱形眼鏡集成來實現(xiàn)新型身份認證的策略。研究人員通過設計同心圓弧的數量、形貌、取向、顏色和偏振，成功實現(xiàn)了五重加密功能。當同心圓弧的數量、形貌、取向、顏色和偏振都是4種類型的情況下，即可實現(xiàn)232種編碼容量。這些結果表明，將微半球集成到隱形眼鏡中，可以為提升個人身份信息安全開辟新的途徑，并有可能通過整合不同的光學元件來實現(xiàn)人機交互。 該項工作首次發(fā)現(xiàn)并證明了微半球的手性結構色。該微半球作為一種光學編碼，具有顏色、偏振、圖案等多個自由度，具有擴大存儲容量和提高信息安全性的優(yōu)點，在顯示、信息存儲、數據安全等方面具有廣泛的應用潛力。  圖1. 微半球手性結構色材料的光學特征  圖2. 微半球手性結構色材料與隱形眼鏡集成用于身份認證 該工作是中國科學院理化技術研究所李明珠研究員團隊在新型結構色材料的制備與結構色調控機制相關研究方面新進展之一。在過去的幾年里，團隊創(chuàng)新性的提出了一種基于宏觀拓撲形變和納米周期結構協(xié)同作用的結構色調控機制（Angew. Chem. 2021, 60, 14307-14312；Cell Rep. Phys. Sci. 2022, 3, 100915； Sci. Bull. 2023, 68, 276-283; Adv. Sci. 2023, 10, 2300347），成功解決了傳統(tǒng)響應性結構色材料重復性差、響應慢等問題。此外，通過結構和材料設計，團隊成功構筑了新型結構色材料，實現(xiàn)了對光場的多維度調控，并探究了其在多維信息存儲及加密領域的應用（Sci. Adv. 2021,7,eabh1992; Adv. Mater. 2022, 34, 2107243; Sci. China Chem. 2023, 66, 3567–3575）。 該工作第一作者是賴欣濤博士、李同宇博士、侯曉宇（博士研究生）；通訊作者是中國科學院理化技術研究所李明珠研究員和復旦大學石磊教授；第一單位是中國科學院理化技術研究所。本工作得到中國科學院化學研究所宋延林研究員的幫助。 研究工作得到了國家杰出青年科學基金（22225502）、國家自然科學基金資助項目（22073107，52321006 和 2150410331）、科技部重點研發(fā)計劃（2022YFE0202000、 2018YFA0208500）和中國科學院國際合作局（027GJHZ2022044MI）等項目的資助。 論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2419113122 |
