Adv. Mater：首个自调控光响应性智能人工虹膜

动物的瞳孔形状在漫长的演化过程中也变得千差万别，圆形、椭圆、狭缝、针孔、新月等等，以适应生活环境以及生活方式的变化。瞳孔是光线进入眼球的入口，其大小通过虹膜（iris）进行调节。以人类虹膜结构为例，借助括约肌和扩张肌，根据所处环境的光线情况，调控瞳孔大小以获得稳定光线信息传输到视网膜。而在日常生活中，成像系统和光谱分析仪等技术设备也采用了类似原理的人工虹膜器件，基于光线传输孔径的改变实现图像或信号的采集。但是，目前这类人工虹膜结构器件多是通过外置传感器来感知光源信息，并借助外接设备进行被动的机械调整，要实现人工虹膜器件的原位光线检测和自动智能调控仍是一项挑战性工作。

近日，芬兰坦佩雷理工大学（Tampere University of Technology）的Arri Priimagi教授和Hao Zeng博士等人采用光响应性液晶弹性体（liquid crystal elastomer），基于可控的分子结构排列技术，研制出首例自调控光响应性智能人工虹膜。该人工虹膜无需外界辅助设备，能够自动感知光线强度，并自动调控透光孔径尺寸。论文发表于Advance Materials 杂志。

人类虹膜（a/b）以及人工虹膜的结构示意图（c/d）。图片来源：Adv. Mater.

区别于常用的摩擦取向或借助选区曝光进行液晶基元分子有序排列，研究团队借助偶氮苯光响应性取向涂层作为液晶盒底部模板，采用圆偏振光进行偶氮苯DR1掺杂液晶体系的光控分子取向排列，最终得到了具有放射状取向排列的分子结构。

含偶氮苯组分液晶弹性体的光控分子取向。图片来源：Adv. Mater.

同时研究团队发现，基于液晶弹性体膜的各向异性热膨胀性，制备的条带状膜能够在残余应力作用下发生弯曲，而且弯曲方向与后续的光致形变方向相反。研究团队还对聚合温度及使用环境温度等因素对样品弯曲率的影响进行了系统的探究，最终选定体系最优聚合温度为45 ℃，以保证样品的起始弯曲度最小。

不同制备和使用环境下液晶弹性体条状样品的弯曲测试。图片来源：Adv. Mater.

制备具有良好光控调节性的人工虹膜，保证其器件结构的高度对称性至关重要。研究团队制备了直径为14.0 mm的薄盘样品，然后将其边缘处切割为12个辐射状条形“花瓣”。如上所述，由于样品的不对称热膨胀性，条状“花瓣”结构呈现初始的弯曲状态。由于液晶弹性体体系中掺杂有4 mol%的DR1偶氮分子，当对该体系进行470 nm光照射时，DR1结构中的偶氮苯基团处于连续的可逆顺反异构状态，从而带来一定的热效应，引发液晶体系发生相转变，体系中的液晶基于有序参数发生改变，导致最终人工虹膜结构呈现光响应性。当样品处于弱光线环境下时，“花瓣”向外卷曲，圆盘“瞳孔”尺寸较大；而当样品处于强光照射环境下时，“花瓣”会逐渐伸直铺开，使得“瞳孔”变小，从而维持穿过“瞳孔”的光线强度稳定。而且，整个过程循环可逆。当输入光强从30 mW增加到200 mW时，其样品透光率从70%下降到10%，整体透光率维持在20%左右。但是，由于制备过程中产生部分结构缺陷，12个“花瓣”结构的光响应性存在一定差距，但是随着光照的增加（≥300 mW/cm²），其差异性变小（∆t ＜ 5 s）。

人工虹膜的实物结构及其感光性测试。图片来源：Adv. Mater.

智能人工虹膜的光响应测试。图片来源：Adv. Mater.

——总结——

本文基于光控分子取向排列技术结合含偶氮液晶弹性体体系的光热效应，构筑了能够自行感光并进行“瞳孔”尺寸调整的全新人工虹膜。该人工虹膜能够在一定强度、指定波长入射光的照射下，发生迅速的自动“开关”，维持入射光线的透过率。这一最新研究成果，可有望进一步拓展到成像系统和光谱分析技术领域。而且，该体系还能够通过改变掺杂偶氮体系种类和引入其他光响应性组分进行体系和应用拓展。

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Self-Regulating Iris Based on Light-Actuated Liquid Crystal Elastomer

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201701814

（本文由甲子湖供稿）