河南理工大学秦刚国科大温州研究院陈强：光致变色、坚韧、透明和抗冻纳米复合有机水凝胶

河南理工大学秦刚副教授与中国科学院大学温州研究院陈强教授科研团队通过一锅法制备了一种新型光致变色纳米复合有机水凝胶（NC OGHs），该材料通过添加氧化钨纳米粒子显著提升了传统光致变色水凝胶的综合性能，具体特点如下：一、核心制备方法与材料设计一锅法合成：将聚乙烯醇（PVA）、甘油（Gly）和氧化钨（WO?）纳米粒子通过简单混合与交联反应直接制备，避免了多步合成的复杂性。网络结构优化：氧化钨纳米粒子均匀分散在PVA/Gly基质中，形成三维交联网络，同时甘油作为抗冻剂和增塑剂，赋予材料柔韧性与耐低温性。二、关键性能突破机械性能显著提升高拉伸性与抗撕裂性：材料可拉伸至原长度的数倍，且能支撑200g重物（如图4a2）。压缩与拉伸应力-应变曲线显示，其断裂应变超过500%，抗撕裂强度较传统水凝胶提高3倍以上（图4b-d）。韧性增强机制：氧化钨纳米粒子通过物理交联点分散应力，甘油分子与PVA链形成氢键，共同抑制裂纹扩展。耐低温与抗脱水能力抗冻性能：在-20℃环境下仍保持柔韧性，拉伸强度仅下降15%（图6a-b），而传统水凝胶在-10℃即脆化。保水性优化：甘油与水分子形成强氢键网络，30℃下40%湿度环境中脱水率较传统水凝胶降低60%（图6c-d）。光致变色与智能调控紫外线响应变色：在365nm紫外线照射下，材料由透明变为深蓝色，吸光度随照射时间线性增加（图5a-c），可通过控制照射时间（0-240秒）精确调节颜色深度（图5b）。可控漂白机制：在空气中60℃加热或氮气气氛下-20℃环境中，有色材料可快速褪色（图5d-e），且低温下颜色稳定性显著提高（图7c-f）。高透明度与紫外线屏蔽可见光透射率：添加氧化钨后，材料在550nm波长处的透射率仍达85%以上（图9b），满足智能窗户对透明度的要求。紫外线阻挡能力：对280-400nm波段紫外线的屏蔽率超过99%，有效保护室内物品免受紫外线损伤（图9c-d）。三、创新应用场景智能窗户动态调光：通过紫外线照射与温度控制，实现窗户透光率的实时调节（图10a-b），中午阳光强度下可降低室内温度5-8℃（图10d-e）。紫外线防护：相比普通玻璃，智能窗户对紫外线的阻挡率提升90%，保护皮肤与家具（图10c）。光信息存储与加密可重写功能：利用光致变色与热漂白特性，材料可实现信息多次擦写（图8a），适用于防伪标签与临时标识。二进制加密：通过“有色/无色”状态对应“1/0”编码，构建高安全性数据存储系统（图8b）。蓝色滤光片与传感器光学滤波：有色材料可过滤450nm以下蓝光，用于显示设备护眼模式（图9h-i）。紫外线传感：通过吸光度变化实时监测紫外线强度，灵敏度达0.1mW/cm2（图9e-g）。四、技术优势与行业影响制备工艺简化：一锅法合成步骤减少50%，成本降低40%，适合大规模生产。性能综合平衡：突破传统水凝胶“机械性能-透明度-抗冻性”的矛盾，实现多指标协同优化。应用场景拓展：从实验室研究迈向建筑、电子、医疗等领域，为柔性光电器件与智能材料提供新方案。参考文献：Tough, Transparent, and Anti-Freezing Nanocomposite Organohydrogels with Photochromic Properties该研究通过纳米粒子复合与分子设计，为光致变色材料的功能化与实用化提供了重要范式，推动了智能材料在极端环境下的应用发展。