Adv.Mater：首個自調控光響應性智能人工虹膜

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動物的瞳孔形狀在漫長的演化過程中也變得千差萬別，圓形、橢圓、狹縫、針孔、新月等等，以適應生活環境以及生活方式的變化。瞳孔是光線進入眼球的入口，其大小通過虹膜（iris）進行調節。以人類虹膜結構為例，藉助括約肌和擴張肌，根據所處環境的光線情況，調控瞳孔大小以獲得穩定光線信息傳輸到視網膜。而在日常生活中，成像系統和光譜分析儀等技術設備也採用了類似原理的人工虹膜器件，基於光線傳輸孔徑的改變實現圖像或信號的採集。但是，目前這類人工虹膜結構器件多是通過外置感測器來感知光源信息，並藉助外接設備進行被動的機械調整，要實現人工虹膜器件的原位光線檢測和自動智能調控仍是一項挑戰性工作。

近日，芬蘭坦佩雷理工大學（Tampere University of Technology）的Arri Priimagi教授和Hao Zeng博士等人採用光響應性液晶彈性體（liquid crystal elastomer），基於可控的分子結構排列技術，研製出首例自調控光響應性智能人工虹膜。該人工虹膜無需外界輔助設備，能夠自動感知光線強度，並自動調控透光孔徑尺寸。論文發表於Advance Materials雜誌。

人類虹膜（a/b）以及人工虹膜的結構示意圖（c/d）。圖片來源：Adv. Mater.

區別於常用的摩擦取向或藉助選區曝光進行液晶基元分子有序排列，研究團隊藉助偶氮苯光響應性取向塗層作為液晶盒底部模板，採用圓偏振光進行偶氮苯DR1摻雜液晶體系的光控分子取向排列，最終得到了具有放射狀取向排列的分子結構。

含偶氮苯組分液晶彈性體的光控分子取向。圖片來源：Adv. Mater.

同時研究團隊發現，基於液晶彈性體膜的各向異性熱膨脹性，製備的條帶狀膜能夠在殘餘應力作用下發生彎曲，而且彎曲方向與後續的光致形變方向相反。研究團隊還對聚合溫度及使用環境溫度等因素對樣品彎曲率的影響進行了系統的探究，最終選定體系最優聚合溫度為45 ℃，以保證樣品的起始彎曲度最小。

不同製備和使用環境下液晶彈性體條狀樣品的彎曲測試。圖片來源：Adv. Mater.

製備具有良好光控調節性的人工虹膜，保證其器件結構的高度對稱性至關重要。研究團隊製備了直徑為14.0 mm的薄盤樣品，然後將其邊緣處切割為12個輻射狀條形「花瓣」。如上所述，由於樣品的不對稱熱膨脹性，條狀「花瓣」結構呈現初始的彎曲狀態。由於液晶彈性體體系中摻雜有4 mol%的DR1偶氮分子，當對該體系進行470 nm光照射時，DR1結構中的偶氮苯基團處於連續的可逆順反異構狀態，從而帶來一定的熱效應，引發液晶體系發生相轉變，體系中的液晶基於有序參數發生改變，導致最終人工虹膜結構呈現光響應性。當樣品處於弱光線環境下時，「花瓣」向外捲曲，圓盤「瞳孔」尺寸較大；而當樣品處於強光照射環境下時，「花瓣」會逐漸伸直鋪開，使得「瞳孔」變小，從而維持穿過「瞳孔」的光線強度穩定。而且，整個過程循環可逆。當輸入光強從30 mW增加到200 mW時，其樣品透光率從70%下降到10%，整體透光率維持在20%左右。但是，由於製備過程中產生部分結構缺陷，12個「花瓣」結構的光響應性存在一定差距，但是隨著光照的增加（≥300 mW/cm2），其差異性變小（?t ＜ 5 s）。

人工虹膜的實物結構及其感光性測試。圖片來源：Adv. Mater.

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智能人工虹膜的光響應測試。圖片來源：Adv. Mater.

——總結——

本文基於光控分子取向排列技術結合含偶氮液晶彈性體體系的光熱效應，構築了能夠自行感光並進行「瞳孔」尺寸調整的全新人工虹膜。該人工虹膜能夠在一定強度、指定波長入射光的照射下，發生迅速的自動「開關」，維持入射光線的透過率。這一最新研究成果，可有望進一步拓展到成像系統和光譜分析技術領域。而且，該體系還能夠通過改變摻雜偶氮體系種類和引入其他光響應性組分進行體系和應用拓展。

Self-Regulating Iris Based on Light-Actuated Liquid Crystal Elastomer

Adv. Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201701814

（本文由甲子湖供稿）

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