共价键合手性光学网络结构实现可变形圆偏振差分成像技术突破

《Nature Communications》：Covalent-bonding chiroptical network structures for circular polarization differential imaging

本刊推荐：针对极端环境下传统光学成像技术易受背景光干扰的问题，研究人员通过共价键合策略构建了手性光学网络结构（CBCN），将可持续发光源（SLG）与光学螺旋调制器（OHM）相结合，实现了高达1.31的不对称因子（glum）和192%的应变耐受性。该材料在80%形变下仍保持10-1量级的圆偏振发光（CPL）不对称性，并成功应用于火灾场景的圆偏振差分成像（CPDI），为极端环境下的便携式识别技术开辟新途径。

　　

在浓烟弥漫的火灾现场，传统热成像和强度成像技术往往因高温干扰和背景光过强而失效，导致救援人员难以精准定位受困者。这一痛点揭示了极端环境下光学成像技术的瓶颈：如何让成像信号在复杂环境中保持稳定且携带更丰富的维度信息？圆偏振光因其在传输过程中能最优保持偏振状态的特性，被视为突破这一瓶颈的关键。然而，现有圆偏振发光材料在机械形变时会出现信号衰减、界面分层等问题，难以满足可穿戴设备的需求。

发表于《Nature Communications》的这项研究，通过共价键合策略构建了具有机械-手性光学耦合功能的手性光学网络结构（CBCN），成功实现了可变形器件的圆偏振发光稳定性突破。研究团队创新性地将可持续发光发生器（SLG）与光学螺旋调制器（OHM）通过共价交联结合，使材料在承受192%拉伸应变的同时，仍能保持高达1.31的发光不对称因子（g_lum）。更引人注目的是，即使在80%的形变条件下，其圆偏振不对称性仍维持在10^-1量级，远超人体关节活动所需的50-70%形变阈值。

关键技术方法包括：通过胆甾型液晶弹性体构建OHM层，利用无机荧光粉嵌入聚合物基质形成SLG；通过聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）的共聚反应实现界面共价键合；采用直接墨水书写技术制备图案化传感器，并通过芯/壳纤维成型工艺实现可编织结构。有限元分析验证了共价网络结构在应变分布上的优势。

可变形共价键合手性光学网络结构的设计

研究团队通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了界面烯烃键的消失，验证了共价键的形成。扫描电镜（SEM）三维重建图像显示异质界面清晰无分层，有限元模拟表明共价网络能有效分散机械应力，避免物理堆叠双层结构常见的界面分离问题。

可变形CBCN的偏振光学特性

作为准一维光子晶体，OHM的光子带隙效应可选择性反射同手性圆偏振光。通过调控OHM光子带隙与SLG发射峰重叠，实现了g_lum值达1.31的左旋圆偏振光输出。在60-80%形变范围内，g_lum值仍保持在10^-1以上，原子力显微镜和二维广角X射线散射显示液晶分子沿拉伸方向定向排列是保持光学活性的关键。

CBCN的可加工性

研究团队通过直接墨水书写技术制备了具有定制图案的传感器，并开发出芯壳结构纤维，其壳层胆甾相螺旋结构可包裹发光芯层产生螺旋偏振光。人工汗液浸泡200小时后材料仍保持优异CPL性能，满足可穿戴设备耐久性要求。

CBCN基偏振光学传感器在火灾场景中的CPDI应用

在模拟火灾环境中，CPDI技术通过双目光学系统分别采集左/右旋圆偏振滤光片（L-/R-CPFs）下的图像差值，有效抑制火焰背景干扰。实验表明，相较于热成像和强度成像，CPDI能准确识别佩戴CBCN传感器的受困者，即使在人体大幅度运动条件下仍保持识别精度。高温测试证实材料在100℃环境下仍保持强圆偏振信号。

该研究通过共价键合策略实现了手性光学网络结构的机械稳定性突破，开发的圆偏振差分成像技术为极端环境下的生物医学识别、智能救援等领域提供了新的技术范式。其材料设计理念可拓展至其他需要光学-力学耦合功能的智能传感系统，为未来可穿戴光电设备的发展奠定了重要基础。