西安交大《自然·通訊》：開發(fā)新型智能離子凝膠材料，實(shí)現(xiàn)光學(xué)雙模態(tài)智能調(diào)控

隨著自適應(yīng)智能系統(tǒng)在先進(jìn)傳感、軟體機(jī)器人和節(jié)能建筑等領(lǐng)域的快速發(fā)展，智能材料的研究正致力于模擬生物的"感知-反饋-執(zhí)行"機(jī)制。在這一背景下，熱致變色材料因其能夠通過溫度變化調(diào)節(jié)透光率/顏色而備受關(guān)注，在視覺傳感、智能驅(qū)動(dòng)器和信息加密等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有熱致變色材料面臨著諸多挑戰(zhàn)：無機(jī)材料（如VO?、WO?）存在相變溫度過高（>60℃）和本征剛性等問題；有機(jī)液晶和納米復(fù)合材料制備工藝復(fù)雜；而傳統(tǒng)的熱致變色聚合物如聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠雖然具有適宜的低臨界溶解溫度（28-35℃），但交聯(lián)度低和含水量高導(dǎo)致其力學(xué)性能薄弱（拉伸強(qiáng)度<10 kPa）、保水性差且在零下溫度無法工作，通常需要?jiǎng)傂苑庋b，這嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)楊森教授、盧學(xué)剛教授合作，報(bào)道了一種通過動(dòng)態(tài)原位相分離策略制備的高韌性非對(duì)稱熱致變色離子凝膠。該材料集成了熱響應(yīng)光散射層（低臨界溶解溫度范圍為28℃至41℃）和機(jī)械增強(qiáng)支撐層，通過順序自由基聚合實(shí)現(xiàn)兩層之間的共價(jià)鍵合。所得材料展現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性能：在20℃時(shí)透明度高達(dá)85%以上；具有出色的耐超低溫性能，在-70℃甚至-196℃液氮溫度下仍能保持透明；同時(shí)具備卓越的力學(xué)韌性，拉伸強(qiáng)度超過5 MPa，韌性達(dá)17 MJ·m?3。利用疏水離子液體作為溶劑，該離子凝膠實(shí)現(xiàn)了可逆光學(xué)開關(guān)調(diào)控，在40℃時(shí)無需封裝即可將透光率降至10%以下，并具有超過400 N·m?1的玻璃剝離強(qiáng)度。相關(guān)論文以“Tough asymmetric thermochromic ionogels via dynamic in situ phase separation for dual-modal smart optical switching”為題，發(fā)表在Nature Communications上。

研究人員通過巧妙的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將熱響應(yīng)性聚丙烯酸丁酯/離子液體層與高強(qiáng)度聚丙烯酸丁酯-共聚-N-異丙基丙烯酰胺/離子液體支撐層有機(jī)結(jié)合（圖1a）。其中，熱響應(yīng)層基于熱敏動(dòng)態(tài)相分離機(jī)制工作，而高強(qiáng)度層則通過原位相分離策略制備。靜電勢(shì)模擬結(jié)果顯示，疏水單體丙烯酸丁酯與離子液體溶劑[Emim][TFSI]具有良好的相容性，通過離子-偶極相互作用形成均勻體系，而N-異丙基丙烯酰胺在咪唑類離子液體中相容性較差，需借助丙烯酸丁酯的輔助溶解才能形成前驅(qū)體溶液（圖1b）。這種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)使材料兼具高光學(xué)透明性和機(jī)械完整性，既具有柔韌性又具備抗沖擊能力，這是傳統(tǒng)高強(qiáng)度透明材料如玻璃所無法實(shí)現(xiàn)的特性（圖1c）。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)材料的環(huán)境耐受性進(jìn)行了全面評(píng)估，發(fā)現(xiàn)其在室溫下透光率超過80%，當(dāng)溫度升至40℃時(shí)，透光率迅速降至10%以下（圖1d-i）。特別值得一提的是，得益于離子液體溶劑基質(zhì)，該離子凝膠在-70℃的超低溫條件下仍保持高光學(xué)透明度（圖1d-ii），甚至在液氮溫度（-196℃）下也幾乎無可見光散射，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗凍能力。通過與現(xiàn)有熱致變色材料的綜合性能對(duì)比，該離子凝膠在透明度、耐低溫性、自支撐性（無需額外封裝）、可拉伸性、太陽能調(diào)制能力和自粘附性等多個(gè)維度均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)（圖1e）。在實(shí)際應(yīng)用層面，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該材料在智能冷卻窗中的光調(diào)制效能，并進(jìn)一步展示了其作為主動(dòng)光學(xué)開關(guān)平臺(tái)的潛力，既可通過間接加熱實(shí)現(xiàn)局部投影顯示，也可通過直接焦耳加熱實(shí)現(xiàn)全局投影屏幕功能（圖1f）。

圖1 | ATIs的設(shè)計(jì)策略與性能。 a 環(huán)境適應(yīng)性ATI橫截面示意圖，其中頂層作為光散射層，底層作為堅(jiān)韌支撐層。b 不對(duì)稱離子凝膠中的兩種聚合物網(wǎng)絡(luò)。左，ATI-B中的動(dòng)態(tài)相分離聚合物網(wǎng)絡(luò)；右，ATI-BN中的原位相分離共聚物網(wǎng)絡(luò)。c ATI堅(jiān)韌力學(xué)性能展示；插圖為經(jīng)過1.25噸車輛碾壓后的玻璃（左）和ATI（右）。d ATI分別在極寒（-70°C）和常見高溫環(huán)境（環(huán)境升溫或焦耳加熱，40°C）下的光學(xué)透明度；插圖為550 nm波長(zhǎng)光的透射率。e ATIs與已報(bào)道TCMs在透明度、耐低溫性、自支撐性、可拉伸性、太陽光調(diào)制能力和粘附性等多個(gè)維度的綜合性能比較。f ATI作為安裝在玻璃上的柔性光學(xué)開關(guān)：局部加熱區(qū)域（左）作為投影屏幕（低透光率，以鳥圖像為投影對(duì)象），而環(huán)境溫度區(qū)域（右）保持高透明度以確保視野無阻。

為深入理解材料的微觀結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)采用了一系列先進(jìn)表征技術(shù)。小角X射線散射結(jié)果表明，ATI-B層在1-50 nm尺度上高度均勻，室溫下幾乎不存在內(nèi)部分相（圖2d-i）。相比之下，ATI-BN層顯示出明顯的散射環(huán)，通過計(jì)算擬合確定其相分離尺寸約為7.3 nm，這一尺寸遠(yuǎn)低于可見光波長(zhǎng)范圍，因此材料仍保持高度透明。變溫廣角X射線散射分析顯示，ATI-B層的散射峰特征尺寸隨溫度變化發(fā)生偏移（圖2d-ii），這可歸因于熱膨脹效應(yīng)引起的聚合物鏈間距增加以及熵驅(qū)動(dòng)的[Emim]?-[TFSI]?離子團(tuán)簇收縮。空間拉曼光譜技術(shù)進(jìn)一步揭示了材料的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)特征，ATI-BN在1160 cm?1、1267 cm?1和1550 cm?1處的吸收峰強(qiáng)度明顯高于ATI-B層（圖2e i-ii）。通過截面二維拉曼映射，可以清晰觀察到兩層之間緊密無縫的連接（圖2e-iii）。與通過靜電粘附制備的物理雙層凝膠相比，后者在輕微外力作用下即發(fā)生界面破裂或剝離，而該材料采用的原位逐層光聚合策略使兩層聚合物網(wǎng)絡(luò)在界面處形成物理纏結(jié)和化學(xué)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)界面結(jié)合（圖2f）。流變學(xué)分析表明，材料在較寬的振幅、頻率掃描范圍及溫度變化區(qū)間內(nèi)，儲(chǔ)能模量均大于損耗模量（圖2g），證明其內(nèi)部聚合物網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜外力作用下具有良好的動(dòng)態(tài)可逆性，非對(duì)稱兩相界面不會(huì)因發(fā)生斷裂而失效。

圖2 | ATIs不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的制備、組成與表征。 a ATI關(guān)鍵組分的ESP模擬：聚合物單體BA和NIPAM，以及IL溶劑[Emim][TFSI]。b 無溶劑PBA、純IL和ATI-B的FTIR光譜。c ATI橫截面的顯微鏡圖像（左）和SEM圖像（右），清晰顯示其由ATI-BN和ATI-B組成的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。d SAXS（i）和WAXS（ii）的二維圖譜。e ATI-B和ATI-BN的拉曼光譜；插圖i、ii、iii分別為ATI-B、ATI-BN和ATI橫截面的拉曼成像圖。f 物理雙層離子凝膠和ATI的光學(xué)圖像（上層PBA離子凝膠層，用間胺黃染色；下層P(BA-co-NIPAM)離子凝膠層，用亮綠染色）及所提出的界面示意圖。g ATIs的流變學(xué)性能表征，包括振幅掃描（左）、頻率掃描（中）和溫度掃描（右）。G'為儲(chǔ)能模量，G"為損耗模量，Tan δ為損耗因子。

關(guān)于熱致變色機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)材料的溫致光學(xué)行為源于ATI-B層內(nèi)的動(dòng)態(tài)相分離（圖3a）。低溫時(shí)，離子液體通過離子-偶極相互作用均勻分散在聚丙烯酸丁酯基質(zhì)中，形成均相體系。當(dāng)溫度升至低臨界溶解溫度以上時(shí)，原本均勻分布的陰、陽離子在聚合物網(wǎng)絡(luò)周圍聚集，形成獨(dú)立的液疇，產(chǎn)生兩相體系（圖3b）。動(dòng)態(tài)相分離發(fā)生時(shí)，ATI-B內(nèi)部形成大量"島狀"離子液體微區(qū)，對(duì)光線產(chǎn)生強(qiáng)烈散射，導(dǎo)致材料呈現(xiàn)不透明狀態(tài)（圖3c）。光學(xué)測(cè)試顯示，溫度從20℃升至45℃時(shí)，ATI-B在可見光范圍的透光率從85%以上降至10%以下，霧度從10%飆升至約94%。差示掃描量熱分析表明，材料在34℃附近發(fā)生相變，且焓變較小，意味著材料具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。通過調(diào)控聚合物與離子液體比例，可將低臨界溶解溫度在28℃至41℃之間調(diào)節(jié)，以滿足不同應(yīng)用需求（圖3d）。變溫紅外光譜顯示，ATI-B特征峰發(fā)生紅移（圖3e），表明離子液體與聚合物間的離子-偶極相互作用減弱。密度泛函理論計(jì)算證實(shí)了聚丙烯酸丁酯-離子相互作用能顯著降低。變溫拉曼光譜中ν(N-S)峰向低波數(shù)移動(dòng)（圖3f），暗示[Emim]?與[TFSI]?間庫(kù)侖相互作用增強(qiáng)。分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示，[Emim]?-[TFSI]?相互作用能隨溫度升高而增加并占據(jù)主導(dǎo)地位（圖3g）。二維相關(guān)紅外光譜分析進(jìn)一步揭示，相分離過程由陰離子優(yōu)先從聚合物解離觸發(fā)，隨后陽離子重新結(jié)合。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算高度吻合，為低臨界溶解溫度以上熵驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)相分離機(jī)制提供了有力證據(jù)。

圖3 | ATIs的動(dòng)態(tài)相分離原理與微觀相互作用分析。 a ATI-B中熱敏動(dòng)態(tài)相分離的示意圖。b 加熱過程中ATI的光學(xué)顯微鏡圖像。c 在低臨界溶解溫度以下（左）和以上（右）時(shí)，光在ATI-B內(nèi)部的傳播路徑示意圖。d ATI在不同溫度下的光學(xué)照片。e 溫度-dependent FTIR光譜。f 溫度-dependent拉曼光譜（色標(biāo)：紅色，高強(qiáng)度；藍(lán)色，低強(qiáng)度）。g 298K和313K下PBA和[Emim][TFSI]的MD快照。計(jì)算得到的298K和313K下ATI中離子-偶極相互作用和離子-離子相互作用的相互作用能；插圖為兩種溫度下[Emim]?-[TFSI]?優(yōu)化結(jié)構(gòu)的ESP（色標(biāo)：紅色，負(fù)電；藍(lán)色，正電）。

在力學(xué)性能方面，ATI-BN層的原位相分離結(jié)構(gòu)形成了雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，包含以剛性NIPAM鏈段為主、具有強(qiáng)分子間氫鍵的聚合物富集相和以彈性BA鏈段為主的溶劑富集相（圖4a）。這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了相間載荷傳遞和能量耗散，顯著提高了離子凝膠的韌性。與均質(zhì)純PBA離子凝膠相比，ATI的韌性、楊氏模量和斷裂伸長(zhǎng)率分別提高了2500%、3390%和110%（圖4b）。在實(shí)際承重測(cè)試中，ATI可輕松提起1 kg砝碼，而純PBA離子凝膠則無法實(shí)現(xiàn)（圖4c-d）。搭接剪切實(shí)驗(yàn)表明，ATI的界面剪切強(qiáng)度達(dá)到600 kPa，是物理雙層離子凝膠的110倍，甚至優(yōu)于商用膠帶（圖4e）。有限元力學(xué)模擬顯示，在垂直向上拉力作用下，ATI比雙層離子凝膠表現(xiàn)出更高的應(yīng)力集中，上下層間接近垂直的角度表明其界面結(jié)合顯著更強(qiáng)（圖4f）。抗穿刺測(cè)試中，ATI保持結(jié)構(gòu)完整，無明顯形態(tài)損傷或界面破壞（圖4g）。在循環(huán)壓縮測(cè)試中，ATI的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)完整的滯后環(huán)，且除首個(gè)循環(huán)外，所有循環(huán)的滯后環(huán)幾乎重疊（圖4h），表明其彈性聚合物網(wǎng)絡(luò)具有高度可逆的變形能力和抗疲勞性。與已報(bào)道的熱致變色材料相比，ATI在拉伸強(qiáng)度方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，且其相變溫度（34℃）處于人體生活環(huán)境的高溫范圍（30-40℃），確保在環(huán)境條件下即可熱激活（圖4i）。值得注意的是，該材料無需額外封裝即可直接應(yīng)用于非平面物體，并能穩(wěn)定保持熱致變色功能（圖4j）。

圖4 | ATI的強(qiáng)韌力學(xué)性能。 ATI與純PBA離子凝膠的力學(xué)性能比較。包括a 應(yīng)力-應(yīng)變曲線；b 韌性和楊氏模量，誤差棒代表標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=3）；c 光學(xué)照片。d 實(shí)際場(chǎng)景中的負(fù)載能力比較，ATI可輕松提起1 kg重物，而純PBA離子凝膠無法實(shí)現(xiàn)。e ATI與其他粘附材料（包括商用3M VHB、3M 9080和雙層離子凝膠）的界面剪切應(yīng)力比較，誤差棒代表標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=3）。插圖為用于測(cè)量界面強(qiáng)度的搭接剪切實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。f 雙層離子凝膠和ATI的FEA力學(xué)模擬，顏色越深（紅色）表示承受的應(yīng)力越高。g ATI的抗穿刺性能。穿刺前（插圖）、穿刺中（左）和穿刺后（右）的ATI外觀無明顯損傷。h ATI在不同壓縮循環(huán)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；插圖為壓縮前、中和后的光學(xué)照片，以及100次壓縮循環(huán)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。i ATI與已報(bào)道熱致變色材料的性能比較，包括拉伸強(qiáng)度和有效LCST范圍。j ATI在25°C（左）和40°C（右）下用于異形表面的照片。

在智能冷卻窗應(yīng)用方面，ATI可通過被動(dòng)熱致變色光學(xué)開關(guān)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)紫外-可見-近紅外光透射率，從而實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能（圖5a）。與需要玻璃封裝的傳統(tǒng)熱致變色聚合物智能窗不同，ATI智能窗可直接涂覆于窗戶表面。材料表面豐富的疏水基團(tuán)賦予其本征疏水性，水接觸角高達(dá)135±1°，顯著高于鋼化玻璃和PNIPAM水凝膠（圖5b-i）。ATI-BN表面的粘附功計(jì)算值為20.8 mN·m?1，較鋼化玻璃降低約510%，表明水滴在ATI表面滑動(dòng)阻力更小。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試顯示，水滴易從ATI表面滑落，表面可直接用水清洗（圖5b-iii）。同時(shí)，表面豐富的極性基團(tuán)賦予ATI高粘附能力，使其能自主粘附于鋼化玻璃、PMMA、PVC和PC等多種透明建筑材料表面（圖5c），對(duì)玻璃的90°剝離強(qiáng)度超過400 N·m?1。在光學(xué)調(diào)控性能方面，ATI對(duì)紫外-可見-近紅外光的透射率與溫度呈負(fù)相關(guān)（圖5d）。20℃時(shí)，ATI高度透明，太陽光透射率為75.7%；當(dāng)溫度升至45℃時(shí)，ATI發(fā)生透明轉(zhuǎn)變，太陽光透射率降至18.9%，ΔTsol達(dá)到56.8%，可見光透射率ΔTlum高達(dá)78.3%。在模擬太陽光照射下，配備ATI智能窗的模型房加熱速率較鋼化玻璃參考房緩慢；加熱終止后，ATI窗模型房降溫速率更慢，顯示出優(yōu)于傳統(tǒng)窗戶的隔熱性能（圖5e）。在實(shí)際日間條件下測(cè)試，當(dāng)夏季正午環(huán)境溫度達(dá)40℃左右時(shí)，空氣窗模型房（半開放系統(tǒng)）室溫升至52℃；玻璃窗模型房（全封閉系統(tǒng)）室溫高達(dá)66℃；而ATI智能窗模型房（全封閉系統(tǒng)）室溫僅為56℃（圖5f-g）。基于EnergyPlus的建筑模型年能耗模擬表明，與中國(guó)城市普通玻璃窗相比，ATI智能窗在溫暖地區(qū)可實(shí)現(xiàn)更顯著的節(jié)能效果（圖5h）。在窗戶的美學(xué)與個(gè)性化設(shè)計(jì)方面，ATI可通過模板、切割、染色和模塊化拼接等簡(jiǎn)單再加工方式，輕松定制成復(fù)雜窗戶圖案或顏色，且不影響其本征熱致透明轉(zhuǎn)變性能。

圖5 | ATI實(shí)現(xiàn)的被動(dòng)智能降溫窗戶。 a ATI智能窗戶的光調(diào)制示意圖。b ATI智能窗戶的疏水性，包括ATI-BN與玻璃和PNIPAM水凝膠的接觸角（i）和粘附功（ii）比較，以及模擬雨滴滑動(dòng)測(cè)試（iii）。誤差棒代表標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=3）。c ATIs在不同常見透明基材上的自主粘附性展示。d ATI基窗戶在20-45°C下的紫外-可見-近紅外透射光譜，以及太陽輻照強(qiáng)度（空氣質(zhì)量1.5全局）和明視覺發(fā)光效率。e 模擬太陽光（氙燈）照射下，不同窗戶模型房間的溫度隨時(shí)間變化；插圖為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的光學(xué)照片。f 降溫性能測(cè)試過程中模型房屋的現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)照片。g 不同窗戶模型房間在24小時(shí)內(nèi)的室溫變化（西安，34°15'N，108°40'E，2025年5月20日）。h 配備ATI智能窗戶的建筑模型的中國(guó)節(jié)能地圖。

在主動(dòng)動(dòng)態(tài)光學(xué)顯示方面，ATI的光學(xué)特性隨環(huán)境溫度變化，而溫度作為刺激源具有普遍存在、非接觸操作和精確可控等內(nèi)在優(yōu)勢(shì)，使ATI成為溫度控制型主動(dòng)光學(xué)開關(guān)的理想材料（圖6a）。通過集成柔性導(dǎo)電加熱層作為熱開關(guān)，這種間接焦耳加熱方法可實(shí)現(xiàn)透明與不透明狀態(tài)間的可逆光學(xué)調(diào)制（圖6b）。對(duì)導(dǎo)電加熱層進(jìn)行圖案化定制后，可在ATI上顯示相同的不透明圖案，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)局部光學(xué)顯示效果（圖6c-i）。由于導(dǎo)電加熱層采用直流電源驅(qū)動(dòng)的柔性石墨烯加熱片，基于ATI的光學(xué)顯示器件不再受限于剛性平面基底，可應(yīng)用于曲面載體（圖6c-ii）。當(dāng)將該局部光學(xué)顯示器件應(yīng)用于窗戶時(shí)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息顯示，如室內(nèi)用戶可通過溫度刺激在窗戶上向外顯示緊急求救信號(hào)。為進(jìn)一步展示ATI在下一代光學(xué)顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)將ATI的焦耳加熱功能與其光學(xué)特性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了集成的全局動(dòng)態(tài)光學(xué)開關(guān)。這一行為利用了離子凝膠的本征離子導(dǎo)電性，通過離子傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)焦耳自加熱。ATI表現(xiàn)出溫度依賴的離子電導(dǎo)率，同時(shí)在熱循環(huán)條件下保持高魯棒性。作為概念驗(yàn)證，研究者使用兩個(gè)銅電極和交流電源對(duì)ATI施加高頻交流電（圖6d）。施加電壓（180 V，10 kHz）后15秒內(nèi)，ATI局部溫度高達(dá)55℃，完成透明到不透明的完全轉(zhuǎn)變（圖6e-i）。進(jìn)一步測(cè)試表明，ATI表面焦耳加熱產(chǎn)生的溫度與施加的交流電壓正相關(guān)。即使在拉伸和彎曲狀態(tài)下，這種全局光開關(guān)顯示器仍能保持有效加熱效果和穩(wěn)定光散射能力（圖6e-ii）。在此基礎(chǔ)上，基于原位焦耳加熱的全局動(dòng)態(tài)光開關(guān)被設(shè)計(jì)并展示為一種智能投影屏幕（圖6f）。在室溫高于低臨界溶解溫度時(shí)，降低透光率的ATI自然成為投影屏幕；當(dāng)環(huán)境溫度低于ATI的低臨界溶解溫度時(shí)，通過原位焦耳加熱同樣可實(shí)現(xiàn)透明-不透明轉(zhuǎn)變。將經(jīng)典藝術(shù)作品投影到不透明的ATI表面，圖像保持了高色彩飽和度和顯示分辨率（圖6g）。此外，通過間接焦耳加熱實(shí)現(xiàn)的局部投影智能屏幕也得到展示，局部天氣信息可在不影響透視效果的情況下顯示在智能窗戶上（圖6h）。

圖6 | ATI實(shí)現(xiàn)的柔性動(dòng)態(tài)光學(xué)顯示。 a 由局部間接加熱驅(qū)動(dòng)的柔性動(dòng)態(tài)顯示裝置示意圖。b 局部光學(xué)顯示裝置的光學(xué)照片。c 局部光學(xué)顯示演示，包括平面狀態(tài)下的光學(xué)照片和熱紅外圖像（i），以及曲面基底上的局部光學(xué)顯示（ii）。導(dǎo)電焦耳加熱層的直流電壓為24 V。d 基于ATI的全局焦耳加熱系統(tǒng)示意圖和等效電路圖。e 使用交流電源（180 V，10 kHz）對(duì)ATI進(jìn)行原位焦耳加熱的演示，包括平面狀態(tài)下通電前后的光學(xué)和熱紅外圖像（i），以及通電狀態(tài)下拉伸和彎曲時(shí)ATI的熱紅外圖像（ii）。f 基于ATI光學(xué)顯示切換的智能投影顯示系統(tǒng)示意圖；g ATI智能投影顯示系統(tǒng)的真實(shí)演示，全局投影著名畫作《舞蹈》（亨利·馬蒂斯，1910年，公共領(lǐng)域作品）。h 動(dòng)態(tài)局部投影顯示演示。上半部分因局部加熱為不透明區(qū)域，用于顯示當(dāng)天天氣狀況；下半部分未加熱，保持高透明度。

這項(xiàng)研究通過協(xié)同動(dòng)態(tài)原位相分離策略成功開發(fā)了Janus結(jié)構(gòu)非對(duì)稱熱致變色離子凝膠。該材料將用于光學(xué)開關(guān)的熱響應(yīng)PBA/IL層與用于機(jī)械支撐的高韌性P(BA-co-NIPAM)/IL層相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了最佳低臨界溶解溫度（34℃）、優(yōu)異的耐低溫性能（-70℃下保持透明）和高魯棒性（拉伸強(qiáng)度>5 MPa，界面剪切強(qiáng)度>600 kPa）。由熵介導(dǎo)的離子聚集驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)相分離機(jī)制使材料能夠?qū)崿F(xiàn)快速可逆的不透明轉(zhuǎn)換（ΔTlum = 78.3%），并可穩(wěn)定循環(huán)100次。與傳統(tǒng)熱致變色材料不同，該離子凝膠通過本征疏水性（接觸角>135°）、非揮發(fā)性和對(duì)多種基材的強(qiáng)粘附性，消除了封裝需求并保持高環(huán)境穩(wěn)定性。作為被動(dòng)式智能窗，它能減少56.8%的太陽得熱，相比玻璃窗可降低室內(nèi)溫度10℃。在主動(dòng)光學(xué)控制方面，圖案化間接焦耳加熱可實(shí)現(xiàn)曲面上的局部顯示，而通過離子傳導(dǎo)的全局焦耳自加熱（180 V交流電）則可創(chuàng)建可變形投影屏幕。為增強(qiáng)ATI的應(yīng)用潛力，未來需從以下兩方面深入研究：一是優(yōu)化非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的成型工藝，以減輕模具面積和繁瑣制備過程對(duì)ATI大規(guī)模生產(chǎn)的限制；二是利用聚合物的可修飾性，持續(xù)提高ATI的環(huán)境魯棒性，特別是在超高溫度（超過100℃）、超低溫度（液氮溫度以下）耐久性以及復(fù)合惡劣環(huán)境（如強(qiáng)紫外輻照耦合高溫高濕）下的性能表現(xiàn)。這項(xiàng)研究有望填補(bǔ)剛性熱致變色材料與柔性系統(tǒng)之間的空白，為節(jié)能建筑和交互式顯示領(lǐng)域的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)提供了一個(gè)可擴(kuò)展的平臺(tái)。