MXene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜及其制备方法和应用

mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及功能性液晶材料技术领域，特别是涉及一种电致变色变温的mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜及其制备方法和应用。


背景技术：

2.在自然界中，许多生物经过漫长的自然选择和物种进化逐渐演变出了令人敬畏的自适应变色变温伪装能力，以适应周围复杂多变的环境，达到躲避天敌捕食或向同类进行信息传递的目的。例如，变色龙可以通过主动调整真皮层虹细胞内鸟嘌呤纳米晶体的晶格来快速改变其身体颜色。章鱼等头足类动物可以通过虹细胞和色素细胞的协同作用，反射可变波长的可见光和近红外光，以实现大范围的皮肤颜色变化及隐身的效果。
3.受自然有机体的启发，制备具有自适应伪装功能的变色材料成为研究的热点，如何开发能够在可见光和红外光谱范围内实现变色隐身的仿生智能变色材料及相关技术是当前该领域的关键科学问题。在众多变色材料体系中，先进功能液晶材料因其在信息显示技术中的广泛应用而闻名，这些技术彻底改变了我们的生活。
4.其中，手性液晶包括具有一维螺旋超结构的胆甾相液晶和具有三维立方纳米结构的蓝相液晶是出色的光子晶体变色材料，它们由于具有长程有序的自组装特性、灵敏的刺激响应特性等优势成为研究的焦点。近几年，研究人员致力于开发能够在各种外部刺激(如机械力、电场、湿度和光)下动态改变结构色的仿生变色手性液晶光子晶体材料。
5.然而，这些手性液晶体系主要聚焦在可见光区域的变色控制，对红外区域的变色伪装鲜有研究。基于此，将自适应可见变色性能与新兴的热伪装策略集成到一个系统中无疑将促进先进手性液晶材料的快速发展，并为自适应伪装和热辐射管理等领域带来巨大的应用前景。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术中存在的刺激响应变色手性液晶只局限在可见光波段实现结构色变化，无法兼顾红外波段的热辐射调控问题，而提供一种mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜。
7.本发明的另一个目的是提供所述电致变色变温mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜的制备方法。
8.本发明的另一个目的是提供所述柔性膜在自适应伪装或热辐射管理中的应用。
9.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
10.一种mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜，所述柔性膜为三层结构，依次包括mxene纳米结构薄膜、手性液晶层以及光学透明的聚合物支撑层，任意相邻的两层通过共价化学交联的分子锚定层连接。
11.在上述技术方案中，所述mxene纳米结构薄膜中的超薄纳米片为ti3c2t
x
、ti2ct
x
、
ti4n3t
x
、ti3cnt
x
、cr2tic2t
x
、mo2ct
x
、mo2tic2t
x
、mo2ti2c3t
x
、nb2ct
x
或v2ct
x
，，所述超薄mxene纳米片的横向尺寸为100nm～10μm；
12.所述聚合物支撑层的材质但不限于聚乙烯(pva)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚偏二氟乙烯(pvdf)或聚氨酯(pu)，所述聚合物溶液的溶剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、二甲基亚砜(dmso)或甲苯；
13.所述手性液晶层中具有液晶分子自组装形成长程有序的一维胆甾相光子晶体或三维蓝相光子晶体；
14.所述分子锚定层通过硅烷偶联剂实现共价化学交联，所述硅烷偶联剂包括但不限于γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(kh-570)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三异丙氧基硅烷(kh-571)或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷(kh-574)。
15.在上述技术方案中，所述mxene纳米结构薄膜的厚度为1μm～20μm，所述手性液晶层的厚度为10μm～40μm，所述聚合物支撑层的厚度为10μm～1000μm。
16.在上述技术方案中，所述的mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜，通过以下步骤制备：
17.步骤1，制备超薄mxene纳米片：通过研究不同浓度的超薄mxene纳米片水分散液的各向同性-液晶相转变行为，获得具有溶致液晶相的mxene胶体液晶；将所述mxene胶体液晶涂覆到氨基改性的玻璃基底表面以获得具有优异导电性和高电热转化效率的mxene纳米结构薄膜；
18.步骤2，将光学透明的聚合物溶液涂覆到氟硅烷改性的玻璃基底表面，作为聚合物支撑层，随后对所述mxene纳米结构薄膜和聚合物支撑层进行表面改性引入可交联双键官能团，令mxene纳米结构薄膜和聚合物支撑层相对，将所述改性后的玻璃基底粘合制备成液晶盒；
19.步骤3，将可聚合液晶单体、小分子液晶单体、可聚合非液晶单体、手性剂、光引发剂按预设比例混合均匀，制备得到可聚合的手性液晶前驱体；将所述手性液晶前驱体在各向同性态下通过毛细作用力灌入所述液晶盒中，通过缓慢降温和保温退火的方式使液晶分子自组装形成长程有序的一维胆甾相光子晶体或三维蓝相光子晶体；最后，使用紫外光进行原位光聚合反应，从液晶盒中剥离后，得到由聚合物支撑层、手性液晶层和mxene纳米结构薄膜构成的所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜。
20.在上述技术方案中，所述步骤1中，所述mxene胶体液晶由浓度为1mg ml-1
～120mg ml-1
的超薄mxene纳米片水分散液产生，形成的溶致液晶相为向列相；
21.所述mxene纳米结构薄膜通过刮涂、滴涂或旋涂方式获得；
22.所述步骤1，对玻璃基底进行氨基改性所使用的硅烷偶联剂包括但不限于γ-氨丙基三乙氧基硅烷(kh-550)、γ-氨丙基三甲氧基硅烷(a-1110)、n-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(a-1120)或n-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷(kbm-602)。
23.在上述技术方案中，所述步骤2中，氟硅烷包括但不限于1h,1h,2h,2h-全氟辛基三乙氧基硅烷(pfotes)、1h,1h,2h,2h-全氟辛基三甲氧基硅烷(pfotms)、1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷(pfdtes)。
24.在上述技术方案中，所述步骤3中，可聚合液晶单体为单官能度可聚合液晶单体，或者单官能度可聚合液晶单体与双官能度可聚合液晶单体的混合物；
25.所述步骤3中，单官能度可聚合液晶单体、双官能度可聚合液晶单体、小分子液晶单体、可聚合非液晶单体、手性剂、光引发剂的质量份数的比为：(10.0～65.0):(0.0～5.0):(30.0～70.0):(3.0～10.0):(0.5～25.0):(2.5～20):(0.5～3.0)；
26.所述单官能度可聚合液晶单体选自式(i)和(ⅱ)的化合物中的一种或任意比例的多种，所述双官能度可聚合液晶单体选自式(ⅲ)的化合物中的一种或任意比例的多种，
[0027][0028]
式(i)、(ⅱ)和(ⅲ)中，x或y为芳香族环或脂环烷，优选的，x或y为芳香族环时，所述x或y为1,4-苯环、2-5-嘧啶环或1,2,6-萘环，所述x或y为脂环烷时，所述x或y为反-1,4-环己烷，当x或y含有侧基时，所述侧基为卤素、氰基或甲基；m，n分别为0～4；z为苯基、酯基、炔基、烷烃基、氮氮双键、醚键或直接相连；r1或r2或r3为含有1～16个碳原子的烷基、含有1～16个碳原子的烷氧基、含有1～16个原子的硅氧烷基、酯基、氰基、卤素、异硫氰基或硝基；
[0029]
所述小分子液晶单体为非聚合向列相液晶单体或混晶，包括但不限于5cb、e7、e44、e48、htg135200、slc1717、slc7011、zli-1275teb30a；
[0030]
所述可聚合非液晶单体为丙烯酸酯类可聚合单体，优选的，所述可聚合非液晶单体为三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(tmpta)、季戊四醇三丙烯酸酯(peta)、季戊四醇四丙烯酸酯(petea)或二季戊四醇六丙烯酸酯(dpha)；
[0031]
所述手性剂包括但不限于lc756、r5011、s5011、r811、s811、r1011、s1011、cb15、c15；
[0032]
所述光引发剂为在250～420nm区间具有吸光能力的紫外光引发剂，优选的，所述光引发剂为安息香双甲醚(i-651)、1-羟基环已基苯基酮(i-184)、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(i-1173)、2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i-2959)中的一种或多种；
[0033]
所述步骤3中，所述紫外光聚合反应的光源为波长254～520nm的uv光源，光强为5～200mw/cm2，聚合时间为60s～1800s。
[0034]
本发明的另一方面，所述的mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜在电致变色变温中应用，其中所述mxene纳米结构薄膜接电。
[0035]
在上述技术方案中，通过控制输入电压的大小，既可以在可见光波段实现可逆的结构色改变，又可以在红外波段实现热辐射的动态按需调控，所述输入电压为直流电压；
[0036]
所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜可应用于像素化变色装置和红外伪装，优选的，所述像素化变色装置为电致变色红绿灯、像素化变色阵列或仿生伪装皮肤，所述红外伪装为电致变温红外伪装。
[0037]
本发明的另一方面，一种mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜的制备方法，通过以下步骤制备：
[0038]
步骤1，制备超薄mxene纳米片：通过研究不同浓度的超薄mxene纳米片水分散液的各向同性-液晶相转变行为，获得具有溶致液晶相的mxene胶体液晶；将所述mxene胶体液晶涂覆到氨基改性的玻璃基底表面以获得具有优异导电性和高电热转化效率的mxene纳米结构薄膜；
[0039]
步骤2，将光学透明的聚合物溶液涂覆到氟硅烷改性的玻璃基底表面，作为聚合物支撑层，随后对所述mxene纳米结构薄膜和聚合物支撑层进行表面改性引入可交联双键官能团，令mxene纳米结构薄膜和聚合物支撑层相对，将所述改性后的玻璃基底粘合制备成液晶盒；
[0040]
步骤3，将可聚合液晶单体、小分子液晶单体、可聚合非液晶单体、手性剂、光引发剂按预设比例混合均匀，制备得到可聚合的手性液晶前驱体；将所述手性液晶前驱体在各向同性态下通过毛细作用力灌入所述液晶盒中，通过缓慢降温和保温退火的方式使液晶分子自组装形成长程有序的一维胆甾相光子晶体或三维蓝相光子晶体；最后，使用紫外光进行原位光聚合反应，从液晶盒中剥离后，得到由聚合物支撑层、手性液晶层和mxene纳米结构薄膜构成的所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜。
[0041]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0042]
1.本发明的电致变色变温mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜巧妙地将手性液晶与二维mxene纳米材料的优异导电性和独特的低中红外发射率相结合，二维mxene纳米材料通电发热导致手性液晶层变色，仅施加较小的直流电压(《6v)便可以实现可见光波段的电致变色和红外波段的电致变温。
[0043]
2.本发明利用具有溶致液晶相的mxene胶体液晶制备mxene纳米结构薄膜，所制备的mxene纳米结构薄膜作为本发明的柔性膜的电热功能层，既可以通过优异的电热转化性能驱动电致变色的可逆发生与恢复，又可以作为黑色衬底增强手性液晶结构色的亮度和饱和度，还可以凭借独特的低中红外发射率有效阻隔目标物体的红外辐射，并通过电致变温性能动态调控目标物体的红外辐射与环境背景相匹配，从而达到红外隐身的效果。
[0044]
3.本发明的mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜通过在界面处引入能够发生共价化学交联的分子锚定层，在mxene层和聚合物层均修饰带双键的硅烷偶联剂，这层偶联剂分子叫做分子锚定层，中间层的液晶前驱体在紫外交联时会和双键硅烷偶联剂发生交联，从而增强了不同功能层之间的界面结合，提升了柔性膜的机械性能和可加工性，有利于柔性膜的规模化生产和多场景化应用。
附图说明
[0045]
图1为mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜的制备过程示意图。
[0046]
图2为实施例1中不同浓度的超薄mxene纳米片水分散液的偏光显微镜图片。
[0047]
图3为实施例1中mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜截面的扫描显微镜图片。
[0048]
图4为实施例1中mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜的电致变温性能。
[0049]
图5为实施例1中具有不同结构色和形状的mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性
膜的照片。
[0050]
图6为实施例1中mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜电致变色过程中的偏光显微镜图片。
[0051]
图7为实施例1中mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜电致变色过程中的反射光谱。
[0052]
图8为实施例2中基于mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜的电致变色红绿灯装置。
[0053]
图9为实施例2中基于mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜的像素化变色阵列装置。
[0054]
图10为实施例2中基于mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜的仿生伪装皮肤。
[0055]
图11为实施例3中mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜在室温下的红外隐身效果。
[0056]
图12为实施例3中mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜利用电致变温特性实现的动态红外伪装效果。
具体实施方式
[0057]
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0058]
实施例1
[0059]
实施例1.1
[0060]
一种mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜，所述柔性膜为三层结构，依次包括mxene纳米结构薄膜、手性液晶层以及聚合物支撑层，任意相邻的两层通过共价化学交联的分子锚定层连接，本实施例中mxene纳米结构薄膜厚度为5μm，其中的纳米片为ti3c2t
x
，手性液晶层为蓝相液晶层，厚度为30μm，蓝相液晶层中具有液晶分子自组装形成的长程有序的三维蓝相光子晶体，所述聚合物支撑层为pva支撑层，厚度为7μm，分子锚定层中的交联剂为kh-570双键硅烷偶联剂。
[0061]
实施例1.2
[0062]
实施例1.1所述的mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜通过以下方法制备：
[0063]
步骤1，制备mxene纳米结构薄膜：
[0064]
将3.2g氟化锂(lif)加入到40ml 9mol l-1
盐酸(hcl)溶液中搅拌15min，然后缓慢加入2g ti3alc2粉末，置于50℃下反应36h，将反应产物用去离子水离心洗涤直至ph≥6，将沉淀重新分散到去离子水中先在3500rpm的转速下离心10min，再将收集到的上清液于10000rpm的转速下离心10min，所得淤泥状沉淀即为合成的超薄mxene纳米片(纳米片的平均横向尺寸为1.5μm)。将超薄mxene纳米片分散到去离子水中配成不同浓度(10mg ml-1
，20mg ml-1
，25mg ml-1
，35mg ml-1
)的超薄mxene纳米片水分散液，通过在偏光显微镜(pom)下观察不同浓度的超薄mxene纳米片水分散液的各向同性-液晶相转变行为(图2)，确定选用35mg ml-1
的mxene纳米片水分散液为具有溶致液晶相的mxene胶体液晶。
[0065]
将玻璃基底依次在丙酮、去离子水、无水乙醇中超声清洗15min，n2吹干并用等离子体处理机进行氧等离子体处理5min，浸入含有1vol.％kh-550氨基硅烷偶联剂的乙醇/水
(v:v，1:1)溶液中10min，120℃固化10min获得氨基改性的玻璃基底。将mxene胶体液晶刮涂到氨基改性的玻璃基底表面以获得mxene纳米结构薄膜，其厚度为5μm。
[0066]
步骤2，制备所述的聚合物支撑层：
[0067]
将2g pva加入18g去离子水中，90℃搅拌直至完全溶解，将所得10wt.％pva水溶液旋涂(1200rpm，30s)到pfotes氟硅烷改性的玻璃基底表面，重复旋涂3次，65℃热台固化，获得厚度为7μm的pva支撑层作为聚合物支撑层。
[0068]
步骤3，利用步骤1和步骤2得到的产品制备液晶盒：
[0069]
向乙醇/水溶液(v:v，1:1)中加入1vol.％kh-570硅烷偶联剂并混合均匀，用冰醋酸调节溶液ph为4.5即得到kh-570双键硅烷偶联剂水解溶液。
[0070]
将所述的kh-570双键硅烷偶联剂水解溶液旋涂(2000rpm，30s)到步骤1得到的mxene纳米结构薄膜，120℃固化10min。
[0071]
对步骤2得到的pva支撑层进行等离子体处理，再将所述的kh-570双键硅烷偶联剂水解溶液旋涂(2000rpm，30s)到等离子体处理后的pva支撑层表面，120℃固化10min；
[0072]
令mxene纳米结构薄膜、pva支撑层相对，将改性后的玻璃基底粘合制备成间隔垫厚度为30μm的液晶盒。
[0073]
步骤4，制备mxene纳米复合蓝相液晶柔性膜：
[0074]
将单官能度可聚合液晶单体m071(60.0wt.％)、小分子液晶单体htg135200(30.2wt.％)、可聚合非液晶单体tmpta(6.0wt.％)、手性剂r5011(3.3wt.％)、光引发剂i-651(0.5wt.％)混合并完全溶解于ch2cl2中，随后放入60℃烘箱中使ch2cl2挥发完全，得到手性液晶前驱体。
[0075]
将所述手性液晶前驱体升温到80℃并通过毛细作用力灌入到步骤3制备得到的液晶盒中，以0.05℃min-1
速率降温到67℃并保温2h，使液晶分子自组装形成长程有序的三维蓝相光子晶体；最后，使用波长为365nm，光强为150mw/cm2的紫外光照射180s进行原位光聚合反应，从液晶盒中剥离后，得到由pva支撑层、蓝相液晶层和mxene纳米结构薄膜构成的mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜，所述柔性膜截面的扫描电子显微镜(sem)图片如图3所示。
[0076]
本步骤中所述kh-550、pfotes、kh-570、m071、htg135200、tmpta、r5011和i-651结构如下所示：
[0077][0078]
实施例1.3
[0079]
对mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜的电致变色变温性能测试。
[0080]
所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜的底层为mxene纳米结构薄膜，其作为电热功能层，当施加直流电压时产生焦耳效应，能够有效地将电能转化为热能，产生电致变温性能。并且通过调控外加直流电压的大小可以有效控制达到平衡时的稳态温度的大小。如图4所示，当施加电压分别为1v，2v，3v，4v，5v和6v时，所达到的稳态温度依次为30℃，43℃,61℃,77℃,100℃和129℃。
[0081]
所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜的中间层为手性液晶光子晶体层，其作为变色功能层。当没有外加直流电压时，所述柔性膜呈现出鲜艳明亮的结构色，并且通过调控手性液晶前驱体中的手性剂配比，可以获得反射波长在390-780nm范围内的任意结构色。结合激光切割技术，所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜可以呈现出不同的结构色和形状图案(图5)，当实施例1.2中的制备方法中，手性剂分别为2.8wt％，3.2wt％,3.6wt％时，所述柔性膜自然状态下分别呈现出为红色，绿色和蓝色。
[0082]
当连通外加直流电压时，所述柔性膜产生可逆的电致变色性能，具体过程如下：当施加≥5v直流电压时，mxene纳米结构薄膜产生焦耳热，当温度升高并超过手性液晶的相转变温度时，手性液晶光子晶体层发生液晶相-各向同性相转变，反射强度从～50％逐渐降低为～0％，宏观表现为从彩色态转变为黑色态，该过程的pom织构和反射光谱的变化数据如图6和图7所示；当撤去外加直流电压后，温度降低，手性液晶光子晶体层恢复为有序的三维立方蓝相纳米结构，因而结构色恢复如初。
[0083]
实施例2
[0084]
实施例2.1
[0085]
一种mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜，所述柔性膜为三层结构，依次包括mxene纳米结构薄膜、手性液晶层以及聚合物支撑层，，任意相邻的两层通过共价化学交联的分子锚定层连接，本实施例中mxene纳米结构薄膜的厚度为15μm，其中的纳米片为ti2ct
x
，手性液晶层为厚度为25μm的胆甾相液晶层，胆甾相液晶层中具有液晶分子自组装形成长程有序的一维胆甾相光子晶体，所述聚合物支撑层为pu支撑层，厚度为80μm，分子锚定层中的
kh-571双键硅烷偶联剂。
[0086]
实施例2.2
[0087]
实施例2.1所述的mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜通过以下方法制备：
[0088]
步骤1，制备mxene纳米结构薄膜：
[0089]
将6g氟化钠(naf)加入到100ml 9mol l-1
h2so4溶液中搅拌20min，然后缓慢加入5g ti2alc粉末，置于40℃下搅拌反应38h，将反应产物用去离子水离心洗涤直至ph≥6，将沉淀重新分散到去离子水中先手动摇晃15min，再在3500rpm的转速下离心30min，随后将收集到的上清液于10000rpm的转速下离心10min，所得淤泥状沉淀即为合成的超薄mxene纳米片(纳米片的平均横向尺寸为0.8μm)。将超薄mxene纳米片分散到去离子水中配成不同浓度(20mg ml-1
,30mg ml-1
,40mg ml-1
,50mg ml-1
)的超薄mxene纳米片水分散液，通过在偏光显微镜(pom)下观察不同浓度的超薄mxene纳米片水分散液的各向同性-液晶相转变行为，确定选用40mg ml-1
的mxene纳米片水分散液为具有溶致液晶相的mxene胶体液晶。
[0090]
将玻璃基底依次在丙酮、去离子水、无水乙醇中超声清洗15min，n2吹干并用等离子体处理机进行氧等离子体处理3min，浸入含有2vol.％a-1110氨基硅烷偶联剂的乙醇/水溶液(v:v，3:2)中5min，120℃固化10min获得氨基改性的玻璃基底。将mxene胶体液晶滴涂到氨基改性的玻璃基底表面以获得mxene纳米结构薄膜，其厚度为15μm。
[0091]
步骤2，制备所述的聚合物支撑层：
[0092]
将4g pu加入16g dmf中，90℃搅拌直至完全溶解，将所得20wt.％pu溶液刮涂到pfotms氟硅烷改性的玻璃基底表面，65℃烘箱固化，获得厚度为80μm的pu支撑层。
[0093]
步骤3，利用步骤1和步骤2得到的产品制备液晶盒：
[0094]
向乙醇/水溶液(v:v，3:2)中加入2vol.％kh-571硅烷偶联剂并混合均匀，用冰醋酸调节溶液ph为4.0即得到kh-571双键硅烷偶联剂水解溶液。
[0095]
将kh-571双键硅烷偶联剂水解溶液旋涂(2000rpm，30s)到步骤1得到的mxene纳米结构薄膜表面，120℃固化10min。
[0096]
对步骤2得到pu支撑层进行等离子体处理，再将所述的kh-571双键硅烷偶联剂水解溶液旋涂(2000rpm，30s)到等离子体处理后的pu支撑层表面，120℃固化10min。
[0097]
令mxene纳米结构薄膜、pu支撑层相对，将改性后的玻璃基底粘合制备成间隔垫厚度为25μm的液晶盒。
[0098]
步骤4，制备mxene纳米复合蓝相液晶柔性膜：
[0099]
将单官能度可聚合液晶单体rm105(50.0wt.％)、小分子液晶单体e7(39.5wt.％)、可聚合非液晶单体peta(5.0wt.％)、手性剂lc756(5.0wt.％)、光引发剂i-184(0.5wt.％)混合并完全溶解于ch2cl2中，随后放入55℃烘箱中使ch2cl2挥发完全，得到手性液晶前驱体。
[0100]
将所述手性液晶前驱体升温到65℃并通过毛细作用力灌入到步骤3制备得到的液晶盒中，以1℃min-1
速率降温到49℃并保温3h，使液晶分子自组装形成长程有序的一维胆甾相光子晶体；最后，使用波长为365-520nm，光强为200mw/cm2的紫外光照射300s进行原位光聚合反应，从液晶盒中剥离后，得到由pu支撑层、胆甾相液晶层和mxene纳米结构薄膜构成的mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜。
[0101]
本步骤中所述a-1110、pfotms、kh-571、rm105、e7、peta、lc756、和i-184结构如下
所示：
[0102][0103]
实施例2.3
[0104]
利用mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜制备像素化电致变色装置。
[0105]
将mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜切割成所需形状及大小，并与预先设定的程序化电路相连，可以制备成像素化电致变色装置，所述装置允许对每个独立像素进行局部按需控制，展示出像素可控和电可编程的电致变色性能。
[0106]
当实施例2.2中的制备方法中，手性剂lc756的质量百分数分别为4.3wt％、4.7wt％以及5.2wt％时，所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜在自然状态下分别呈现红色、黄色和绿色。
[0107]
例如，将红色、黄色和绿色的所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜切割成圆形像素并与预设并联电路相连，可形成电致变色红绿灯。当使红灯所在分支电路处于开路，连通黄灯和绿灯所在分支电路(电压为4v)时，黄灯和绿灯发生电致变色导致结构色消失，整体展示为红灯亮的状态。同理，还可以产生黄灯亮和绿灯亮的状态(图8)。
[0108]
再如，将所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜切割成1cm2的正方形像素，并与预设电路相连形成3
×
3像素阵列。通过按需施加直流电压(电压为4v)，可以实现字母“t”、“j”和“u”的显示(图9)，其中彩色字母区域为开路状态，呈现出鲜亮的结构色；黑色非字母区域为连通状态，发生电致变色导致结构色消失。
[0109]
又如，将所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜作为仿生伪装皮肤贴在变色龙模型表面，当未施加直流电压时，变色龙模型呈现出绚丽的彩色条纹图案，当施加4v直流电压时，变色龙模型失去鲜艳的结构色，隐匿在黑色背景中(图10)。
[0110]
实施例3
[0111]
实施例3.1
[0112]
一种mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜，所述柔性膜为三层结构，依次包括mxene纳米结构薄膜、手性液晶层以及聚合物支撑层，任意相邻的两层通过共价化学交联的分子锚定层连接，本实施例中mxene纳米结构薄膜厚度为8μm，其中的纳米片为nb2ct
x
，手性液晶层为厚度是20μm的蓝相液晶层，蓝相液晶层中具有液晶分子自组装形成的长程有序的
三维蓝相光子晶体，所述聚合物支撑层为pdms支撑层，厚度为300μm，分子锚定层中的交联剂为kh-574硅烷偶联剂。
[0113]
实施例3.2
[0114]
实施例3.1所述的mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜通过以下方法制备：
[0115]
将5g nb2alc粉末加入到30ml 40％氢氟酸(hf)水溶液中室温反应3天，将反应产物用去离子水离心洗涤直至ph≥6，将沉淀重新分散到去离子水中先在3500rpm的转速下离心5min，再将收集到的上清液于10000rpm的转速下离心10min，所得淤泥状沉淀即为合成的超薄mxene纳米片(纳米片的平均横向尺寸为0.5μm)。将超薄mxene纳米片分散到去离子水中配成不同浓度(40mg ml-1
,50mg ml-1
,60mg ml-1
,70mg ml-1
)的超薄mxene纳米片水分散液，通过在偏光显微镜(pom)下观察不同浓度的超薄mxene纳米片水分散液的各向同性-液晶相转变行为，确定选用60mg ml-1
的mxene纳米片水分散液为具有溶致液晶相的mxene胶体液晶。
[0116]
将玻璃基底依次在丙酮、去离子水、无水乙醇中超声清洗20min，n2吹干并用等离子体处理机进行氧等离子体处理10min，浸入含有3vol.％a-1120氨基硅烷偶联剂的乙醇/水溶液(v:v，7:3)中30min，120℃固化10min获得氨基改性的玻璃基底。将mxene胶体液晶旋涂到氨基改性的玻璃基底表面以获得mxene纳米结构薄膜，其厚度为8μm。
[0117]
步骤2，制备所述的聚合物支撑层：
[0118]
将10g pdms a组分与1g pdms b组分充分搅拌混合均匀，真空脱泡3min，将所得pdms预聚物刮涂到pfdtes氟硅烷改性的玻璃基底表面，80℃烘箱固化，获得厚度为300μm的pdms支撑层。
[0119]
步骤3，利用步骤1和步骤2得到的产品制备液晶盒：
[0120]
向乙醇/水溶液(v:v，3:2)中加入1.5vol.％kh-574硅烷偶联剂并混合均匀，用冰醋酸调节溶液ph为4.5即得到kh-574双键硅烷偶联剂水解溶液。
[0121]
将kh-574双键硅烷偶联剂水解溶液旋涂(2000rpm，30s)到步骤1得到的mxene纳米结构薄膜表面。
[0122]
对步骤2得到的pdms支撑层进行等离子体处理，再将所述的kh-574双键硅烷偶联剂水解溶液旋涂到等离子体处理后的pdms支撑层表面，120℃固化10min。
[0123]
令mxene纳米结构薄膜、pdms支撑层相对，将改性后的玻璃基底粘合制备成间隔垫厚度为20μm的液晶盒。
[0124]
步骤4，制备mxene纳米复合蓝相液晶柔性膜：
[0125]
将单官能度可聚合液晶单体rm23(50.0wt.％)、双官能度可聚合液晶单体c6m(2.0wt.％)、小分子液晶单体slc1717(27.5wt.％)、可聚合非液晶单体petea(5.0wt.％)、手性剂r811(15.0wt.％)、光引发剂i-1173(0.5wt.％)混合并完全溶解于ch2cl2中，随后放入65℃烘箱中使ch2cl2挥发完全，得到蓝相液晶前驱体。
[0126]
将所述蓝相液晶前驱体升温到85℃并通过毛细作用力灌入到液晶盒中，以0.05℃min-1
速率降温到72℃并保温4h，使液晶分子自组装形成长程有序的三维蓝相光子晶体；最后，使用波长为254nm，光强为100mw/cm2的紫外光照射600s进行原位光聚合反应，从液晶盒中剥离后，得到由pdms支撑层、蓝相液晶层和mxene纳米结构薄膜构成的mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜。
[0127]
本步骤中所述a-1120、pfdtes、kh-574、rm23、c6m、slc1717、petea、r811、和i-1173结构如下所示：
[0128][0129]
实施例3.3
[0130]
实施例3.2制备得到的mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜在红外伪装中的应用。
[0131]
由于mxene具有独特的低中红外发射率特性，可以显著降低目标物体的中红外辐射量，进而有效阻隔红外热像仪对红外辐射信号的捕获，因此所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜展现出显著的红外伪装特性。
[0132]
例如，将所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜(1.6
×
3cm2)的mxene层朝外，缠绕在食指上，从红外热像仪中可以观察到被所述柔性膜覆盖的皮肤区域与背景温度极其相近(～23℃)，远低于正常的皮肤温度(～36℃)。倘若将所述柔性膜的聚合物层朝外，缠绕在食指上，由于聚合物层具有较高的中红外发射率，无法有效阻隔热辐射，因而没有红外隐身的效果(图11)。
[0133]
根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律(p＝εσt4)可知物体的热辐射能量与其红外发射率(ε)和温度的四次方(t4)成正比，因此发射率调控和温度调控是红外隐身的两大基本策略。由于所述mxene纳米复合手性液晶光子晶体柔性膜具有优异的电致变温特性，因而可以通过温度调控途径实现红外伪装。
[0134]
例如，将所述mxene纳米复合实现液晶光子晶体柔性膜的mxene层朝外，放置在飞机模型的中间并与外加直流电源相连通(图12)。最初，由于飞机模型的温度明显低于环境背景温度，所以通过红外图像的对比度可以轻易识别出整个飞机模型。当环境背景温度变化时，通过施加不同大小的适当电压，可以适当提高所述柔性膜的温度，以动态匹配变化的环境背景的热辐射。如此一来，飞机模型中间被所述柔性膜所覆盖的正方形区域可以完美地隐藏在周围环境中，达到红外伪装的效果。
[0135]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。