中科院理化所在新型手性結(jié)構(gòu)色材料研究方面取得新進(jìn)展

近日，PNAS雜志報道了中科院理化技術(shù)研究所李明珠研究員課題組和復(fù)旦大學(xué)石磊教授課題組在新型手性結(jié)構(gòu)色材料的研究上取得的最新進(jìn)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(diào)和多重偏振態(tài)可調(diào)的手性結(jié)構(gòu)色，其不對稱因子高達(dá)1.998。該項(xiàng)研究解決了傳統(tǒng)手性結(jié)構(gòu)色材料依賴特殊的成分、精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)和單一的偏振調(diào)制等問題，在立體顯示、生物傳感、量子通信和信息安全等領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用（PNAS, 2025, 122, e2419113122）。 z!j`Qoh?V9  
手性結(jié)構(gòu)色材料具有多重光學(xué)可調(diào)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(qiáng)手性活性、動態(tài)手性和可調(diào)顏色的人工手性結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)色材料受限于特殊的成分和精密的納米結(jié)構(gòu)。同時，這些材料通常展現(xiàn)出單手性，限制了其調(diào)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(jié)構(gòu)色材料仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。 `[1]wV5(5@  
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(jié)構(gòu)色材料）具有偏振依賴的手性光學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)，其不對稱因子高達(dá)1.998。研究人員從理論和實(shí)驗(yàn)上證明了微半球的手性光學(xué)響應(yīng)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(jīng)過多次全內(nèi)反射產(chǎn)生了π/2的相位差。微半球的結(jié)構(gòu)色和圖案則可以由簡便、精確、高效的數(shù)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(diào)的手性光學(xué)響應(yīng)。利用微半球反射光偏振態(tài)的非均勻空間分布特點(diǎn)，研究人員通過調(diào)控入射光的偏振方向，實(shí)現(xiàn)了全彩結(jié)構(gòu)色亮度的連續(xù)精確調(diào)控。同時，由于微半球的色調(diào)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(shè)計(jì)微半球的排列和入射光的偏振角來編碼不同的信息。進(jìn)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(shí)現(xiàn)新型身份認(rèn)證的策略。研究人員通過設(shè)計(jì)同心圓弧的數(shù)量、形貌、取向、顏色和偏振，成功實(shí)現(xiàn)了五重加密功能。當(dāng)同心圓弧的數(shù)量、形貌、取向、顏色和偏振都是4種類型的情況下，即可實(shí)現(xiàn)232種編碼容量。這些結(jié)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(xué)元件來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。 L'h'm{i  
該項(xiàng)工作首次發(fā)現(xiàn)并證明了微半球的手性結(jié)構(gòu)色。該微半球作為一種光學(xué)編碼，具有顏色、偏振、圖案等多個自由度，具有擴(kuò)大存儲容量和提高信息安全性的優(yōu)點(diǎn)，在顯示、信息存儲、數(shù)據(jù)安全等方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。 .~8IW,[