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  麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員開(kāi)發(fā)出一個(gè)能考慮到材料的彈性和厚度的預(yù)測(cè)材料透光量的新理論。基于這個(gè)理論，研究人員能夠成功地預(yù)測(cè)當(dāng)類橡膠透明聚合物伸展和膨脹時(shí)，透明性的變化。


  這項(xiàng)研究成果已發(fā)表在《Advanced Optical Materials》期刊。

  麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系博士后López Jiménez表示，對(duì)原型聚合物結(jié)構(gòu)更好的理解有助于開(kāi)發(fā)智能窗戶材料更便宜的替代材料，智能窗戶是能夠調(diào)整入射光的表面。

  “能自動(dòng)對(duì)光做出反應(yīng)的建筑物和窗戶，讓你能夠不必在取暖和空調(diào)方面花很多錢(qián)。然而問(wèn)題是，為整個(gè)建筑物安裝這種材料太貴了。我們想尋找一種更簡(jiǎn)單和便宜的方法控制透光量，通過(guò)延展一種非常簡(jiǎn)單的材料，一種現(xiàn)有的透明聚合物�！�

  López Jiménez補(bǔ)充說(shuō)，多層聚合物結(jié)構(gòu)能夠用來(lái)覆蓋窗戶表面。設(shè)計(jì)師能夠利用這個(gè)理論來(lái)測(cè)量力的大小，并用于調(diào)整聚合物層的入射光量。研究小組包括López Jiménez；阿布扎比馬斯達(dá)爾科技研究院Shanmugam Kumar；土木與環(huán)境工程和機(jī)械工程副教授Pedro Reis。

  當(dāng)前的工作受到López Jiménez、Reis和Kumar相似研究的影響。在這個(gè)項(xiàng)目中，該團(tuán)隊(duì)研究了PDMS基本塊的光傳輸特性，PDMS是一種多用途的類橡膠透明聚合物。在這種聚合物塊中發(fā)現(xiàn)了某些黑暗的區(qū)域，研究人員想弄清楚透過(guò)材料的光是否可以通過(guò)聚合物塊的形變進(jìn)行調(diào)整。

  “這是一個(gè)幸運(yùn)的意外。我們只是在研究材料，很快就開(kāi)始對(duì)如何預(yù)測(cè)得到正確數(shù)據(jù)而感興趣�！�

  研究團(tuán)隊(duì)想要開(kāi)發(fā)一種柔軟的有色復(fù)合物，在暴露于如力學(xué)化學(xué)或者電子力等外部刺激時(shí)，能夠變得透明或改變顏色。開(kāi)發(fā)了一種矩形透明PDMS堆棧薄片，與含有黑色微小染料顆粒的溶液混合。處于未拉伸狀態(tài)時(shí)，材料看起來(lái)模糊，但當(dāng)它被拉伸并像氣球一樣膨脹時(shí)，能夠進(jìn)入更多的光。

  在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，光通過(guò)已注入染料顆粒的聚合物結(jié)構(gòu)，在沒(méi)有任何變形的條件下，透過(guò)材料的光量被測(cè)定。然后，這種聚合物在與光線垂直的方向延伸，聚合物厚度和穿過(guò)材料的光量被測(cè)定。測(cè)量結(jié)果與該研究小組基于比爾-朗伯定律預(yù)測(cè)結(jié)果相比較，比爾-朗伯定律是一個(gè)描述光通過(guò)一種具有特定性質(zhì)材料方式的光學(xué)理論。該理論結(jié)合了實(shí)驗(yàn)分析，得出一個(gè)基本方程來(lái)預(yù)測(cè)穿過(guò)發(fā)生機(jī)械變形PDMS結(jié)構(gòu)的光量。

  為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方程，我們完成了一些其他實(shí)驗(yàn)，當(dāng)光從下面照射時(shí)，圓盤(pán)狀PDMS結(jié)構(gòu)被固定住并像氣球一樣膨脹。研究者們確定了穿過(guò)該結(jié)構(gòu)的光量，并觀察到當(dāng)拉伸材料時(shí)有更多的光通過(guò)。他們還發(fā)現(xiàn)，光的強(qiáng)度與方程預(yù)測(cè)的結(jié)果一樣。

  “當(dāng)施加應(yīng)變時(shí)，我們可以預(yù)測(cè)和表征光的變化。如果給我提供原始材料特性以及入射光的強(qiáng)度，我們能夠確切地知道在這種形變下有多少光通過(guò)�！�

  López Jiménez補(bǔ)充說(shuō)，該方程未來(lái)可被用于調(diào)整具有更復(fù)雜紋理和表面材料的光透過(guò)率和透明度，。

  “柔軟的彩色復(fù)合材料非常令人興奮，能夠?yàn)椴牧咸峁┛赊D(zhuǎn)換和調(diào)整的光學(xué)特性。應(yīng)用這種相對(duì)簡(jiǎn)單但可預(yù)測(cè)的機(jī)制是一項(xiàng)激動(dòng)人心的挑戰(zhàn)，值得運(yùn)用到具體工程應(yīng)用中，比如通過(guò)智能窗戶控制室內(nèi)光線。”土木與環(huán)境工程副教授Pedro Reis表示。

  加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)械和航空航天工程助理教授Shengqiang Cai表示，除了智能窗戶技術(shù)，彩色聚合物甚至可被用在其他材料的應(yīng)變測(cè)試。

  “我想象一層如此軟的復(fù)合材料能夠被用作非線性應(yīng)變儀。通過(guò)將一層軟復(fù)合材料附加在工程結(jié)構(gòu)上，我們也許能夠?qū)⑺谋砻嫘巫冃蜗蠡�，這顯然對(duì)于檢測(cè)結(jié)構(gòu)安全是重要的信息。該想法非常簡(jiǎn)單。然而，系統(tǒng)的功能非常強(qiáng)大，就像這些作者們所展示的�！�

  麻省理工學(xué)院和馬斯達(dá)爾間的合作支持這項(xiàng)研究。