【研究室总体介绍】
先进高分子材料研究室以液晶性有机高分子、液晶/高分子复合材料为研究对象，围绕材料的分子结构或微观结构与其性能的关系以及材料在规模化加工过程中的关键技术问题，在液晶材料开发、液晶/高分子复合材料制备等领域开展了深入的研究。先后承担国家“863计划”、国家科技支撑计划、科技部重大国际合作、科技部平板显示重大专项、国家级杰出人才计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家基金委国际合作交流重点项目、国家基金委创新研究群体、国家基金委重大仪器研制、教育部重点和重大项目、教育部博士点优先发展领域课题、北京市重大科技计划以及校企合作项目等50余项。在Nat. Commun.和Adv. Mater.等国际学术期刊上发表SCI论文320余篇；申请国家发明专利150余项，已获80余项授权。
【研究室主要研究方向】
（1）高性能液晶显示、下一代液晶显示和具有特定功能的液晶材料；
（2）基于液晶/高分子复合材料的智能调光膜，包括在柔性显示、信息存储、软体机器人、智能光调控、智能示温和智能防伪等器件等应用及规模化加工技术；
（3）基于液晶/高分子复合材料的新型固态电解质；
（4）新型液晶/碳纤维高分子复合材料及其规模化加工技术。
【研究室主要研究内容及科研成果】
1、蓝相液晶显示材料的分子设计与制备：
蓝相是介于各向同性相和胆甾相之间的一种特殊相态，常出现在高手性含量胆甾相和液晶清亮点之间0.5-3℃狭小的温度范围内。
使用各向介电常数为正值的蓝相液晶（BP-LC）显示技术是公认的下一代液晶显示技术。与现在主流的薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）技术相比，BP-LCD具有以下四大突出优点：（1）BP-LCD 具有微秒级的电场响应速度，可以采用场序驱动，不需要彩色滤光片。滤光片的成本占液晶显示器成本的16%左右，而且在其制备过程中需要使用大量有机溶剂，背光源的光线在透过彩色滤光片时也要损失一定的亮度。省去彩色滤光片，不仅可以降低LCD 成本，也有利于环保和提高背光源利用率。（2）BP-LCD 在宏观上呈光学各向同性，其显示器基板内表面不再需要取向处理，可以简化生产工艺，降低生产成本，有利于节能环保。（3）BP-LCD 背光源的光透过率不受基板间隙的影响，生产过程中基板间隙无需严格控制，从而可大幅度简化生产工艺，有利于大面积液晶显示器的制备。因此，与现有的TFT-LCD 相比，BP-LCD 的背光源能耗可降低约1/3，生产能耗可降低约40％以上，原材料成本可降低约19%以上。另外，BP-LCD 还具有与TFT-LCD 相似的生产技术与工艺，两者生产设备可以共用。不言而喻，未来BP-LCD 的普及将节约巨大的生产能耗和原材料，而开发BP-LC 显示技术的核心是BP-LC 显示材料。
但由于液晶的蓝相通常存在的温度范围较窄，因此无法制备显示器件。
杨槐教授在日本从事博士后研究期间与合作者合作研究，通过在BP-LC 中引入高分子网络，将蓝相温域拓宽到60℃ 以上，获得了聚合物稳定蓝相液晶（PSBPLC）材料、提出了BP-LCD 的显示机理，从此引发了世界范围内BP-LC 显示的研究浪潮（Hirotsugu Kikuchi, Masayuki Yokoda, Yoshiaki Hisakado, Huai Yang, Tisato Kajiyama*,Nature Materials, 2002 ,1, 64-68）。根据该显示机理，三星公司已成功制备出模型机，在显示领域引起巨大反响。该BP-LCD 具有240 Hz 或更高的图像驱动速率，呈现出自然的移动画面。
但是，PSBPLC 体系的液晶分子受高分子网络的束缚作用，驱动电压较高（通常大于50 伏）；同时，在长期电场作用下聚合物网络容易发生形变，导致较大的电光性能迟滞。 为了发挥BP-LC 材料在显示领域的重要作用，需要突破现有BP-LC 材料的诸多技术与理论瓶颈，开发兼具宽温域、低驱动电压、无电光迟滞特性、高电场稳定性的小分子体系的蓝相液晶材料。在该领域的具体研究成果如下：
（1）分别使用氢键稳定蓝相、噻吩类或恶二唑类弯曲分子稳定蓝相的方法，获得了蓝相温域接近30℃的液晶材料（Wanli He and Huai Yang*, et al., Adv. Mater., 2009, 21, 2050-2053; Ling Wang and Huai Yang* et al., J. Mater. Chem., 2012, 22, 2383-2386; Ling Wang and Huai Yang* et al., Liq. Cryst., 2012, 39, 629-638.），为宽温域蓝相液晶材料的研究提供了重要的借鉴作用。
（2）发现在蓝相液晶中添加铁电纳米粒子有助于在液晶中形成均匀的电场，从而在一定程度上降低蓝相液晶的驱动电压（Ling Wang and Huai Yang*,et al., Small, 2012, 8, 2189-2193；J. Mater. Chem., 2012, 22, 19629-1963）。另外也初步探索设计并合成了一系列兼具较大Δn 和Δε、在电场和光作用下性能稳定的联苯炔苯腈和萘炔苯腈类液晶材料，该类材料也具有较低的驱动电压（Birong Li and Huai Yang* et al., Soft Matter, 2012, 9, 1172-1177）。
（3）通过将ZnS 等具有较大偶极矩的无机纳米粒子添加到具有较宽温域的蓝相液晶中，发现可以有效降低BP-LC在电场作用下的电光迟滞作用（Ling Wang and Huai Yang*,et al., Small, 2012, 8, 2189-2193）。
（4）将具有特定分子结构的二聚体分子和棒状分子按照一定比例共混，制备了热力学平衡态温度超过130℃（-39.60~92.8℃）的蓝相液晶材料，首次制备出可以覆盖液晶显示器工作温度（-30~80℃）的蓝相液晶材料。通过小角X射线散射表征发现，二聚体分子和棒状分子具有协同自组装的特性：二聚体分子可构成具有一定温域的蓝相液晶材料，棒状分子填充在由二聚体分子形成的蓝相液晶的晶格缺陷中，显著地降低了体系的缺陷自由能，从而获得了宽温域蓝相液晶材料。该研究成果，颠覆了人们普遍认为小分子蓝相液晶的温域难以覆盖室温的观念，使下一代高性能蓝相液晶显示器的应用成为了可能。上述及相关研究成果已发表在Nature Communications(2021, 12(1): 1440.)和Advanced Functional Materials(2020, 30(43): 2004610.)上。
以上这些研究，为开发兼具宽温域、低驱动电压、无电光迟滞特性、高电场稳定性的小分子体系的蓝相液晶材料提供了一定的借鉴作用。
2、螺距梯度分布可控的光调制用胆甾相液晶薄膜（包括液晶显示器用光增亮膜、高效红外光屏蔽膜与激光防护膜）的中试制备技术与工艺的研究：
胆甾相液晶具有螺旋结构，因此其具有选择反射入射光的特性。在反射波宽内，具有左旋螺旋结构的胆甾相液晶允许右旋圆偏振光透过而反射左旋圆偏振光，反之亦然。在反射波宽之外，左和右旋圆偏振光皆可透过。如果可以任意调控液晶的螺距或螺距梯度，就可以调控液晶反射入射光的波长和波宽。基于该基本原理，研究了一系列螺距梯度分布可控的光调制用胆甾相液晶薄膜，具体研究内容如下：
（1）液晶显示器用光增亮膜：
光增亮膜可以使液晶显示器背光源的光线利用率从约1％提高到40％以上。依3M公司的推算方法，如果全球在2006－2010年的5年间，在21英寸以上的液晶屏上采用光增亮膜，将节省3300万桶原油或2300万吨煤。但目前光增亮膜技术被美国3M和德国Merck公司所垄断。如果胆甾相液晶的螺距具有非均匀分布，双折射率值就会增加。因此，从该角度入手，可制备光增亮膜。
利用具有不同螺距的光聚合性胆甾相液晶单体在结晶相和液晶相之间分子间扩散速度的差异，制备了具有螺距非均匀分布的胆甾相液晶性高分子薄膜；研究了单体的分子结构对薄膜的微观结构及其光学性能的影响规律，阐明了薄膜反射左（或右）旋圆偏振光的波宽的调控方法，开发了新的光增亮膜的制备方法（Zhenyu Bian and Huai Yang et al., Appl. Phys. Lett., 2007, 91: 201908）。
（2）高效红外光屏蔽膜与激光防护膜：
作为建筑门窗和军事上红外光屏蔽膜以及医用和军事上激光防护膜，希望所能屏蔽的入射光波段要足够宽，比如建筑门窗的红外光屏蔽膜要能够屏蔽750-3000n波段的红外光，军事上红外光屏蔽膜要求能够屏蔽750-14000nm波段的入射光，医用和军事上激光防护膜也是屏蔽的波段越宽越好。如果薄膜屏蔽的波段足够宽，就不需要屏蔽不同波段的薄膜进行叠加。为此，进行了以下研究工作：
a）将偶氮苯类手性化合物掺杂至胆甾相液晶中，利用该化合物光致顺反异构所导致的螺旋扭曲力的差异，制备了具有大螺距梯度薄膜，该薄膜可屏蔽1000-2400nm波段的红外光（Xingwu Chen and Huai Yang* et al., Chemical Communication, 2013, DOI: 10.1039/C3CC47438K; Chemical Communication, 2013, 49(86), 10097-10099)。
b）通过控制光聚合单体在聚合过程中的迁移方向，制备了胆甾相和Smecitic-like Short-range Ordering（类近晶相短程有序）共存的薄膜，该薄膜可以屏蔽580-14000nm波段的入射光。
在上述研究的基础上，在校企合作项目（浙江星星集团，液晶显示器光増亮膜）的支持下，开展了光增亮膜的中试生产技术和工艺的研究。主要研究内容如下：
（1）优化光增亮膜的结构设计；
（2）研究制备光增亮膜所需要的原材料的中试生产技术，尤其是开发低成本材料的合成技术；
（3）研究光增亮膜的中试生产技术和制造工艺，解决产品质量均匀性问题，开发低成本光增亮膜的制造技术；
（4）设计并安装了光增亮膜中试生产线，优化生产设备配置以及加工工艺；
（5）研究光增亮膜的力学性能与老化性能。
在研究光增亮膜的同时，也同时开展了高效红外光屏蔽膜与激光防护膜的中试生产技术与工艺的研究。
3、温控调光膜的大面积制备技术与工艺的研究：
温控调光膜具备以下优点：不需要任何能量驱动，气温较低时薄膜呈透明状态，不影响室内采集光线和热量；而气温较高时呈强烈光散射状态，屏蔽掉太阳光辐射能，同时避免室内人员的眼睛受强烈阳光的刺激。
为了制备该薄膜，研究了低温为近晶相且液晶分子呈垂直取向、高温为胆甾相且液晶分子呈焦锥织构的分子排列方式的垂直取向高分子网络/液晶复合材料薄膜的制备方法（如Guohui Pan and Huai Yang* et al., Liq. Cryst., 2008, 35 (9): 1151-1160），阐明了高分子网络的微观结构和胆甾相的螺旋扭曲力等对薄膜的热－光性能的影响规律，提出了低温光透过、高温光散射的薄膜的设计思路与制备方法。现已证明，该薄膜应用于建筑门窗贴膜，可使夏季室内空调节电16.5％以上。
在上述研究的基础上，在科技部重大国际合作项目（批准号：2013DFB50340，项目名称：光透过率自调节薄膜的大面积制备技术的合作研究）的支持下，开展了温控调光膜的大面积制备技术与工艺的研究。主要研究内容：
（1）大面积薄膜生产线的优化设计；
（2）掌握大面积高均匀性薄膜的紫外固化技术与工艺；
（3）将薄膜应用于节能建筑示范；
（4）探索其在节能建筑中的最优化应用方法与技术，以便最大限度的满足建筑节能的使用要求。
4、电控调光膜（反式）的大规模生产技术与工艺的研究：
在某些场合下，人们希望能够自由地控制光线的透过与屏蔽。为此，除了温控薄膜以外，我们也开展了电控调光膜（又称高分子分散液晶（PDLC）薄膜）的研究，该薄膜是由液晶微滴分散在高分子网络中构成的。分为正式、反式和双稳态三种类型。
正式电控调光膜在不施加电场和施加电场的情况下分别呈强烈光散射和透明状态（如Wenbo Li and Huai Yang et al., J. Phys. Chem. C., 2008, 112 (35): 13739-13743）；
反式电控调光膜在不施加电场和施加电场的情况下分别呈透明和强烈光散状态（如Yuhai Yin and Huai Yang* et al., J. of Appl. Polym. Sci., 2009, 111(3), 1353-1357)；
双稳态电控调光膜的特点是：当对薄膜施加高频和低频电场时，薄膜分别呈透明和强烈的光散射状态；电场关闭后，薄膜的透明和强烈光散状态可以稳定保持下来。由于薄膜只有在施加电场的瞬间才消耗极少的能量，因此该薄膜可作为一种高效节能的可控遮阳膜。此外，该薄膜也可以用于透明显示及商品电子标签等。
在研究了具有低驱动电压的薄膜的高分子网络的微观结构的控制方法、高分子网络的微观结构和液晶材料的分子结构对薄膜电－光性能的影响规律的基础上，开了调光膜的大规模生产技术与工艺的研究。
在北京市重大科技计划（批准号：Z121100006512002，项目名称：光透过率可调控薄膜产业化）和北京振利节能环保科技股份有限公司的配套经费支持下，与该公司合作，开了反式电控调光膜的大规模生产技术与工艺的研究。具体研究内容包括：
（1）新型液晶原材料的分子设计与规模化制备；
（2）大面积液晶分子取向方法与技术；
（3）大面积高分子网络微观结构的调控方法与技术；
（4）覆膜机滚轴参数设计和大面积恒温紫外光照射装置设计；
（5）薄膜在建筑上的应用技术。
5、电控调光膜（正式、双稳态）的产业化：
由杨槐教授提供技术，南京市政府和北大工道控股公司提供资金，成立了南京工道液晶材料科技有限公司，建立了年生产能力为10万平米的电控调光薄膜的紫外光固化法生产线。开始大规模生产正式电控调光膜、实现了产业化。同时，开展了双稳态电控调光膜的大规模生产技术与工艺的研究。
·部分科研项目列表：
1.国家自然科学基金创新研究群体项目（批准号：51921002），项目名称：功能性液晶材料；资助额度：1000万元；研究起止年月：2020/01-2024/12；项目负责人
2.国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目（批准号：51927806），项目名称：超薄液晶/高分子复合材料的Roll to Roll 加工试验装置系统及其电-光性能调控机理的研究；资助额度：825万元；研究起止年月：2020/01-2024/12；项目负责人
3.国家重点研发计划材料基因工程关键技术与支撑平台重点专项项目（批准号：2018YFB0703700），项目名称：基于液晶复合材料的新型调光膜的高通量预测、制备和示范应用；资助额度：1470万元；研究起止年月：2018/07-2022/06；项目及课题负责人
4.国家级杰出人才计划项目（批准号：51025313），项目名称：液晶性功能材料的分子设计、微结构调控、制备及性能；资助额度：200万；研究起止年月：2011/01－2014/12；课题负责人。
5.国家自然科学基金（批准号：50973010），项目名称：具有红外光透过－红外光反射特性的液晶复合材料的研究，资助额度：30万；研究起止年月：2010/01－2012/12；课题负责人。
6.国家科技支撑计划（批准号：2007BAE31B00－2007BAE31B02）：超微细精密涂布关键技术研发与应用－平板显示器用光学功能膜开发；资助额度：156万；研究起止年月：2007/09－2010/08；主要研究人员（TFT-LCD用广视角膜技术负责人）。
7.国家973计划（批准号：2007CB613301）: 光催化材料及其应用的基础研究；资助额度：22万；研究起止年月：2007/08－2012/07；研究骨干。
8.科技部平板显示重大专项（批准号：2008AA03A318）： TFT-LCD用增亮膜的研究与中试技术开发；资助额度：300万；研究起止年月：2008/12－2010/12；课题副组长（技术负责人）。
9.北京市科技计划（批准号：D090803044209001）：新型碳纤维原丝制备技术的研究；资助额度：300万；研究起止年月：2010/10－2010/12；课题副组长（技术负责人）。
10.国家863计划（批准号：2003AA327050）：紫外红外光反射薄膜材料的研究与开发；资助额度：50万；研究起止年月：2003/06－2005/12；课题负责人。
11.2004年教育部重点项目（批准号：重点104187）：新型显示用手性化合物的研究；资助额度：36万；研究起止年月：2003/10－2006/09；课题负责人。
12.北京市教委学科建设项目：具有低驱动电压的电控智能玻璃的研究；资助额度：25万；研究起止年月：2005/03－2006/02；研究骨干。
13.教育部博士点基金（批准号：20050008036）：新型热寻址电擦除液晶显示材料的研究；资助额度：6万；研究起止年月：2005/1－2007/12；课题负责人。
14.北京地区高等学校学科群建设项目－新材料学科：高分子分散液晶薄膜材料的研究；资助额度：30万；研究起止年月：2005/10－2007/09；研究骨干。
15.北京市科技计划项目（批准号：Y0405004040121）：电控智能玻璃的产业化关键技术研究；资助额度：100万；研究起止年月：2005/01－2008/12；课题负责人。
16.国家863计划（批准号：2006AA03Z108）：光透过率可调控柔性薄膜材料的研究；资助额度：100万；研究起止年月：2006/11－2008/12；课题负责人。
17.国家科技支撑计划（批准号：2006BAI03A09）：高效智能化微创白内障治疗系统研制---可注入式人工晶体材料的研究；资助额度：30万；研究起止年月：2006/11－2008/12；研究骨干（高分子人工晶体技术负责人）。
18.国家科技支撑计划（批准号：2006BAB03B06）：二氧化碳气驱提高采收率试验研究---CO2存储规律和防腐防垢方法研究；资助额度：50万；研究起止年月：2006/11－2008/12；研究骨干（防腐涂料技术负责人）。
19.国家自然科学基金（批准号：20674005）：高分子网络/液晶/手征性化合物复合材料选择反射入射光特性的研究；资助额度：27万；研究起止年月：2007/01－2009/12；课题负责人。
20.北京科技大学“422高层次人才引进计划”：新型电子纸张材料的研究；资助额度：100万；研究起止年月：2003/11－2006/10；课题负责人。
21.留学回国人员启动基金(批准号：第28批次): 热寻址电擦除电子纸张材料的研究；资助额度：5万；研究起止年月：2005/10－2007/09；课题负责人。
