Das menschliche Leben ist untrennbar mit Licht verbunden. Entwicklungen in Wissenschaft und Technologie haben die Popularität von künstlichem Licht erhöht und die Nutzung von Sonnenlicht diversifiziert. Eine unangemessene Lichtstrahlung kann jedoch der Gesundheit und dem Wohlbefinden des Menschen schaden. Als wichtige Kanäle für externes Licht spielen Fenster eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des Lichts in Gebäuden, Fahrzeugen und Flugzeugen.
Es besteht ein Bedarf an Fenstern mit schaltbaren optischen Eigenschaften, um Schäden oder Störungen des menschlichen Auges und lichtempfindlicher Instrumente durch ungeeignete optische Strahlung zu verhindern oder abzuschwächen. In den letzten Jahren haben sich intelligente Materialien rasant entwickelt, und transparente Materialien, die schaltbare optische Eigenschaften bieten können, haben viel Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen. In diesem Zusammenhang wurden Flüssigkristalle (LCs) aufgrund ihres reichhaltigen Ansprechverhaltens und ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften als die besten Kandidaten für fortschrittliche Lichtschutzmaterialien angesehen.
In einem neuen Artikel mit dem Titel „Advanced liquid crystal-based switchable optical devices for light protection applications: Principles and Strategies“, veröffentlicht in Lichtwissenschaft & Anwendungein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Jiaqi Zhu vom China’s Key Laboratory of Micro-systems and Micro-structures Manufacturing, des Bildungsministeriums, diskutiert den Forschungsfortschritt und die Herausforderungen von Flüssigkristallmaterialien im Bereich des Lichtschutzes.
Sie diskutieren zunächst die spezifische Lichtumgebung, mit der LC-basierter Lichtschutz konfrontiert ist, und die bestehenden Lichtschutzstrategien. Lichtstrahlung kann je nach Quelle in natürliches Licht oder künstliches Licht eingeteilt werden. Sonnenlicht hat einen breiten Wellenlängenbereich (250nm-2500nm), eine große Änderung des Strahlungswinkels und eine große Bestrahlungsfläche. Laserlicht hat eine hohe Leistung, eine schmale Wellenlänge und schnelle Reaktionseigenschaften. Andere hochintensive Beleuchtungen wie Oberlichter und Scheinwerfer haben die gleiche Ansprechrate wie Laser und einen breiteren Spektralbereich als Laser. LC-Materialien zeigen eine überlegene Reaktionszeit und Schutzbandbreite im Vergleich zu herkömmlichen elektronisch gesteuerten Farbänderungsmaterialien. LC-Materialien sind hervorragende Kandidaten für den Lichtschutz, da sie gegenüber herkömmlichen thermochromen Materialien erhebliche Vorteile hinsichtlich der Stimulationstemperatur und der Transmissionsrate für sichtbares Licht aufweisen.
Zweitens führen die Forscher mehrere Klassen von Lichtmodulationsprinzipien ein, die auf Flüssigkristallmaterialien basieren. Aus Sicht der Lichtenergie gibt es drei Arten von Lichtschutzprinzipien für LCs: 1) Umwandlung von einfallender Lichtenergie in andere Energieformen; 2) Übertragung von einfallender Lichtenergie durch reflektierte Pfade; und 3) Übertragung von einfallender Lichtenergie durch Streuwege. Sie diskutieren die Eigenschaften, Vorteile und Anwendungen jeder dieser drei Arten von Lichtschutzprinzipien für Lichtschutzgeräte.
Schließlich diskutieren sie aktuelle Lichtschutzstrategien basierend auf Flüssigkristallmaterialien für verschiedene Anwendungen sowie die Probleme und Mängel aktueller Strategien. Bei komplexen optischen Umgebungen erfordert ein umfassender Schutz oft die Kopplung mehrerer Mechanismen. Die Forscher schlagen Empfehlungen für Lichtschutzstrategien in verschiedenen Lichtumgebungen vor. Beim Anbringen von Lichtschutzvorrichtungen an Fahrzeugen ist es notwendig, sich auf transiente Lichtschutzstrategien zu konzentrieren; während für Gebäude langfristige Lichtschutzstrategien angebracht sind.
Obwohl mehrere Arten von Lichtschutzvorrichtungen für LCs untersucht wurden, sind diejenigen für praktische Anwendungen immer noch sehr begrenzt. Erstens ist es eine Herausforderung, LC-basierte Lichtschutzvorrichtungen zu entwickeln, die sich während eines langzeitstabilen Betriebs an unterschiedliche äußere Umgebungen anpassen. Ausgereifte Lichtschutzvorrichtungen für LCs sollten eine hohe UV-Strahlungstoleranz und elektrochemische Stabilität aufweisen. Zweitens mangelt es in aktuellen kommerziellen Installationen an Lichtschutzvorrichtungen auf LC-Basis, die sich flexibel an Schutzanforderungen für verschiedene äußere Umgebungen anpassen. Drittens stehen diese Technologien vor der Herausforderung, eine gute Stabilität und Homogenität für kommerzielle Anwendungen sicherzustellen.
Die Forscher erwarten, dass gründliche Forschung an einer neuen Generation intelligenter optischer Begrenzungsmaterialien die oben genannten Probleme angehen wird. Sie schlagen intelligente optische Begrenzungsmaterialien vor, um die obigen Probleme vollständig zu lösen. Programmierbare Flexibilität und Selbstanpassung werden bei der Realisierung optischer Materialien für neue Anforderungen entscheidend sein. Dieses System bietet nicht nur Schutz vor mehreren Wellenlängenbändern, sondern reagiert auch schnell in komplexen Umgebungen, schützt über das gesamte UV-sichtbare-Infrarot-Spektrum, bietet hochfesten Schutz in einigen Bändern und hat eine lange Lebensdauer. Das System sollte gut funktionieren, vorausgesetzt, dass das Gerät unter starkem Lichteinfall stabil ist und im dauerhaften Schutzzustand geringe Energiemengen verbraucht.
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Ruicong Zhang et al, Fortgeschrittene Flüssigkristall-basierte schaltbare optische Geräte für Lichtschutzanwendungen: Prinzipien und Strategien, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-022-01032-y