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《先进光学材料》：南大陆延青团队综述光控液晶多层级超结构研究进展
胡伟 2019-6-8 03:50
南京大学陆延青教授团队应邀综述光控液晶多层级超结构研究最新进展，相关内容以 Light-activated liquid crystalline hierarchical architecture toward photonics 为题，于 2019 年 5 月 27 日在线发表在《先进光学材料》上（ Adv. Optical Mater. 2019, 1900393 ）。 微结构是连通微观与宏观两个世界的桥梁。自然界中许多奇妙的现象，如昆虫翅膀的减反特性、蝴蝶翅膀与孔雀羽毛绚丽的结构色 、荷 叶“出淤泥而不染” 的自洁能力以及水黾“轻功水上漂”与壁虎飞檐走壁的超能力等，均源自组织内复杂而精致的多层级超结构。这种微纳尺度下有序多层级结构的嵌套 在功能材料中同样发挥着至关重要的作用。液晶分子作为一种典型的软物质构筑基元，因其优异的、外场可调的组装特性而备受关注。相比机械力、声场、温度、电场、磁场等控制手段，光场作为一种非接触式的远程控制手段，呈现出更高的时空分辨率，因而在液晶超结构组装调控方面具有独特的优势。液晶分子的自组装行为是由熵变主导的，光控实现液晶微观结构的长程化有序，从而获得理想的多层级超结构一直是一项很大的挑战。近年来，各种液晶多层级超结构的制备与应用研究层出不穷，取得了很大的进展，并展现出了广阔的应用前景。 图 1. 光控胆甾相、近晶相、蓝相液晶多层级超结构 本进展报告主要分两个部分： 第一部分分别回顾了层状近晶相、一维螺旋胆甾相和立方晶格蓝相三类液晶中的多层级超结构，集中展示了光控液晶多层级超结构方面的最新进展。报告介绍了通过特殊处理的二维表面、三维几何结构限制以及外场刺激等操控近晶相液晶分子层的展曲形变，从而实现了对近晶相液晶中缺陷态焦锥畴阵列的尺寸、形状、朝向和晶格对称性等几何维度的操控。展示了利用图案化光取向技术和光驱动分子马达对胆甾相液晶螺旋超结构，包括螺旋轴指向、螺距大小、手性反转和周期结构旋转等，进行有规律可循的控制。蓝相液晶作为一种独特的自组装光子晶体材料，引入光取向和光敏类材料同样可以对其结构特性进行调控，进而实现各类光驱动的材料性能的改变。 第二部分讲述了这些光控液晶多层级超结构在光子学领域的具体应用实例。这些独特的多层级超结构为新型光子学元件的设计带来了全新的机会。论文展示了其在微透镜阵列、光束控制、特种光场产生与检测，以及液晶激光器等方方面面的应用。 最后，该文从材料改进、机理解释、光驱动超结构的应用等几方面对未来研究方向进行了展望。作者希望本进展报告能够为该领域的研究者提供一个近年光控液晶多层级超结构 研究的主线和概况 ，吸引更多研究者投身该领域的研究，合力为新型智能光学材料打开一扇大门，并进一步探索更多超越光学领域的新应用，如软物质基绿色能源与生物医药，乃至微操控及微流控等诸多方面。 南京大学马玲玲博士、胡伟教授，华东理工大学郑致刚教授为本文共同一作，南京大学陆延青教授、肯特州立大学李全教授为共同通讯作者，南京大学吴赛博同学、陈鹏博士对本文亦有重要贡献。感谢自然科学基金、江苏省杰出青年学者基金、仲英青年学者项目、南京大学研究生院科研基金的资助，同时感谢人工微结构科学与技术协同创新中心、南京大学十百千工程、中央高校基本科研业务费等平台与项目的支持。
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《自然-通讯》：南大胡伟、陆延青团队开发动态平面光子元件
胡伟 2019-6-8 00:19
南京大学胡伟教授、陆延青教授团队与美国肯特州立大学李全教授合作，通过设计掺入光控手性翻转分子机器的自组装螺旋超结构，实现了工作波段连续可调、共轭相位分布光控变换的平面光子元件，提供了一种动态平面光子元件的实用方案。该成果以 Chirality invertible superstructure mediated active planar optics 为题，于 2019 年 6 月 7 日在线发表在《自然 - 通讯》 上（ Nature Communications 2019, 10 , 2518 ）。 波前调控在光学应用中处于核心位置。随着现代光子技术不断朝向小型化、集成化、多功能和动态调谐等方向发展，传统的动力学相位（ dynamic phase ）光学元件由于尺寸较大、功能相对单一而不再胜任。近些年来，迅速发展起来的几何相位（ geometric phase ）提供了一种集成的平面光学元件实现方案。然而，大部分几何相位元件都是静态的，一旦制备完成，其功能就固定了。开发动态可调的几何相位元件将解锁平面光学元件的工作波长与功能限制，激活全新的自适应、多功能光子元件设计。研究人员已开发出拉伸衬底、材料相变和可控化学反应等策略来达到上述目的，但简单、高效、实用的动态平面光子元件仍是一项挑战。 针对这一难题，该团队在前期数字化螺旋超结构制备宽带并行涡旋光处理器（ Adv. Mater. 2018, 30 , 1705865 ）的研究基础上，与肯特州立大学李全教授展开合作。挖掘利用胆甾相液晶（ CLC ）内禀的外场刺激响应特性，混合具有相反手性的光敏分子机器和手性剂，获得可光控手性翻转的自组装螺旋超结构。进一步利用液晶光配向技术诱导其图案化组装，获得了光束偏折器、微透镜、艾里光 / 涡旋光产生器等系列平面光子元件。经由特定波长光照刺激，上述元件可在绿光至通讯波段超过 1000 nm 的波长范围内双向连续调谐。与此同时，手性翻转会伴随着几何相位的共轭反向，带来元件功能（如光束偏折方向、聚焦 / 发散状态、涡旋光旋向）的光控可逆变换。 图 1. a ，紫光和绿光驱动下， CLC 螺旋超结构的双向演变过程示意图； b ，光控光束偏折器； c ，超宽带艾里光转换器； d ，涡旋光 OAM 光控反转 在此工作中，超大范围的工作波段调谐和几何相位相关的功能变换仅仅依赖于均匀光刺激引起的 CLC 螺旋超结构的改变。得益于“自下而上”的 CLC 螺旋自组装与“自上而下”的光控图案化取向的协同作用，该方案展现出更高的设计灵活性，同时具有制备便捷、成本低廉等优势。相较于机械力、温度、电场等控制手段，光控作为一种非侵入性的远程控制手段，具有更高的时空分辨率。该研究为 动态平面光子元件的 设计与制备提供了一种崭新的实用方案。 论文第一作者是南京大学陈鹏博士（王大珩高校学生光学奖获得者），胡伟教授、陆延青教授和李全教授为本文的共同通讯作者，南京大学为第一单位和通讯单位。南京大学马玲玲博士、沈志雄同学、吴赛博同学、葛士军副研，以及肯特州立大学 H. Bisoyi 博士对本文亦有重要贡献。该研究由 国家重点研发计划、 自然科学基金、江苏省杰出青年学者基金、“仲英青年学者”基金等项目资助完成。同时感谢人工微结构科学与技术协同创新中心、南京大学十百千工程、中央高校基本科研业务费等平台与项目的支持。
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[转载]棒状病毒胶体粒子的液晶行为研究方面取得新进展
nanophage 2018-10-28 10:12
南开大学张珍坤副教授课题组在棒状病毒胶体粒子的液晶行为研究方面取得新进展 2018-10-22 来源：中国聚合物网 关键词： 刚性高分子 嵌段聚合物 胶体粒子 液晶行为   2018年的诺贝尔化学奖获得者之一GeorgeSmith发明噬菌体表达技术(Phage display)采用的主要病毒载体是一类以M13和fd为代表的丝状噬菌体病毒。除了生物学功能外，这类病毒具有完美的棒状形貌、高度均一的尺寸以及基因和化学可改性等人工合成颗粒所不具备的特性，因而也被用作棒状胶体的物理模型，在理解刚性高分子和棒状纳米/胶体颗粒的溶致型液晶行为方面发挥了重要的作用。   近日， 张珍坤副教授课题组以此类病毒为基础，通过在其表面接枝修饰上温敏性嵌段聚合物，构建了具有可控颗粒间相互吸引作用的规整棒状胶体体系，研究了颗粒间相互吸引作用如何影响棒状胶体粒子的液晶行为 ，相关成果发表在Macromolecules (Macromolecules, 2018, DOI: 10.1021/acs.macromol.8b00674)上。   由刚性高分子和棒状胶体颗粒构成的分散体系，在颗粒浓度超过一定的界限后会自发取向排列形成向列型液晶。当前对刚性高分子和棒状纳米/胶体颗粒的溶致型液晶行为的理解主要基于Onsager和Flory等前辈的硬棒模型，即棒状颗粒间除了排除体积效应外没有任何其他相互作用。然而许多重要的功能材料如碳纳米管、刚性共轭高分子、棒状矿物类颗粒等体系的颗粒间往往存在较强的相互吸引作用。制备基于碳纳米管、刚性共轭高分子的规整宏观功能材料的重要手段是先形成液晶相然后通过溶剂挥发固化其规整的液晶取向排列，但这类棒状颗粒间较强的相互作用往往导致不可控的复杂液晶溶液行为。围绕颗粒间相互吸引作用如何影响棒状胶体粒子的液晶行为这一基础科学问题，近年来理论和计算模拟研究方面已经取得很大的进展，但是基于具体物理模型的实验观测却很少。文献中采用的一些棒状模型的颗粒间相互吸引作用不可控，在一定条件整个体系会失去胶体稳定性而凝胶化或处于一定的动力学亚稳态。因此，发展一种具备可控的颗粒间相互吸引而又具备胶体稳定性的棒状体系是研究这类问题的关键。为此，张珍坤副教授课题组设计制备了端基功能化的嵌段聚合物PEG-b-PNIPAM,通过将PNIPAM嵌段的末端接枝修饰到棒状M13病毒的表面，构建了一类聚合物-病毒缀合物(Polymer-Virus bioconjugates, PVB)。在升温过程中，PNIPAM嵌段由亲水变为疏水并塌缩在病毒表面，从而在病毒颗粒间引入相互吸引作用。而亲水的PEG嵌段提供立体位阻效应，防止相互吸引的棒状病毒聚集，因此实现了“吸而不聚”的棒状粒子模型。通过改变温度或者调控PEG-b-PNIPAM的分子结构，可以调控颗粒间相互吸引作用的强度。对此模型的系统研究，观测到了理论早已预测的各项同性（I）和向列型液晶相(N)二者的相平衡随着吸引作用强度增加而变宽的现象(图1d)。通过与最新的理论比较得出了一些表征这类体系的物理参数。本工作有望进一步启发新的理论研究。 图1. (a) 表面接枝修饰有温敏性嵌段聚合物的棒状M13病毒随着温度变化示意图。(b) 棒状噬菌体病毒的TEM图。(c) 温敏性嵌段聚合物接枝修饰的棒状M13病毒的液晶体系。(d)不同温度下的各项同性（I）和向列型液晶相(N)二者的相平衡。   此外，M13和fd等丝状噬菌体病毒形成的向列型液晶实则是一类特殊的手性向列型液晶，即棒状病毒的长轴取向排列的平均方向会绕着某一特定的螺旋轴以一定的旋向性进行螺旋旋转(图2a)。多年以来，张珍坤副教授课题组发展了多种病毒表面化学改性和聚合物接枝修饰的手段，以期理解棒状病毒形成手性液晶的物理化学机制并构建基于棒状病毒手性液晶的响应性功能材料。例如，通过调控棒状病毒表面接枝修饰的高分子的接枝密度，成功实现了利用高分子刷间的排斥效应来诱导棒状病毒衣壳蛋白多级结构的改变，从而影响其手性液晶行为。此外，通过在病毒表面引入pH敏感的苯硼酸基元，构建了能够依据环境pH在普通向列型液晶和手性液晶之间转变的响应材料并探索了这类材料在二元醇化合物如多巴胺、葡萄糖检测方面的应用。同时，通过设计合成端基功能化的含有苯硼酸的温敏性聚合物，将其接枝到棒状病毒表面后，制备了具有pH和糖等多重响应的水凝胶。 图2. (a) 棒状病毒形成的手性液晶的指纹织构。(b) 苯硼酸修饰的棒状病毒的手性液晶的pH响应性。(c) 苯硼酸修饰的棒状病毒的手性液晶在二元醇化合物检测方面的应用。   在对棒状病毒手性液晶化学起源的深刻认识基础上，张珍坤副教授课题组发展了受限组装的方法，在玻璃毛细管内诱导棒状病毒形成结构非常均一的手性液晶结构。在此结构中引入水凝胶前体，然后原位聚合形成水凝胶以手性液晶结构固化于水凝胶内部，获得了具备内在手性结构和双折射的纤维状水凝胶。采用化学刻蚀方法将病毒彻底除掉后，所得的水凝胶保持了病毒模板留下的手性指纹特征结构，表现为偏光显微镜下呈现明暗相见的条纹状结构，可以通过螺距来定量化，赋予了水凝胶另外一种外界刺激下可定量化的物性参数。含有内在手性结构特征的结构化水凝胶对湿度、机械力等都有着可逆的响应性。相关结果发表在ACS Macro Letter上。 图3. 以棒状病毒手性液晶为模板构建含有内在手性结构特征的结构化水凝胶。   以上相关成果分别发表在Macromolecules (Macromolecules, 2018, DOI: 10.1021/acs.macromol.8b00674), ACS Macro Letter(ACS Macro Lett. 2015, 4, 1215?1219), Chemical Communication (Chem. Commun.,2014, 50, 10402-10405), Soft matter(Soft Matter, 2016,12, 798-805)上。   论文链接：    https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.macromol.8b00674    https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.5b00677    https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cc/c4cc04639k/    https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/sm/c5sm02015h/
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AM内封面文章：分子层“折纸术”
热度 2 胡伟 2017-4-14 00:36
最近，南京大学胡伟副教授、陆延青教授团队与苏州大学迟力峰教授团队合作在操控近晶相液晶分子层焦锥畴超结构方面取得重要进展。该研究成果于 2017 年 4 月 13 日发表在最新一期《先进材料》上（ “Smecticlayer origami via preprogrammed photoalignment” Adv. Mater. 2017, 29 , 1606671. ）。 结构连结了微观与宏观世界，在材料体系中扮演着重要的角色。自然界众多奇妙的现象，例如 孔雀羽毛和蝶翼闪耀着的斑斓虹彩， 荷叶 “ 出淤泥而不染 ” 的自洁能力，水黾的轻功水上漂 ， 大多源自于生命体复杂而 精致 的多层级 介观 超结构。正是这种微纳尺度下有序结构的嵌套，在宏观上给出了如此美丽而神奇的性质，并非常艺术范儿的为我们进行材料设计提供了源源不断的灵感。 液晶分子的组装行为可通过外场调谐控制，因此是一种性能优良的组装单元。其中，近晶相液晶因其有序分子层的结构特点而备受关注。其 棒状分子分层排列，每一层内分子长轴相互平行且垂直或倾斜于层面。 近晶相液晶 涂敷薄膜因上下两侧表面能的不对称，分子层会发生有序空间弯曲成为杜宾四次环面，进而形成规整的环面焦锥畴阵列（ Toric focal conic domains, TFCDs ，图 1a ）。近晶相液晶分子的组装行为受液晶弹性和界面锚定特性的共同影响。人们通过膜厚调节，交叉摩擦和布置不同取向材料来控制 TFCD 的尺寸和排列；进一步在基板上引入微柱或微槽阵列，可以增强这种控制能力。然而，这种操控仅限于尺寸和排列两类要素，所生成的畴也都是具有旋转对称性的 TFCD 。如果能够像折纸术（ Origami ，一种通过弯曲和折叠二维纸张创造各种三维物件的艺术）一样对近晶相液晶分子层的空间弯曲进行任意控制，那必将大大丰富 近晶相液晶 多层级 介观 超结构的设计与制备。 图 1 ：通过预设二维表面配向控制 SmA 分子层空间弯曲 实现 Fragmented-TFCDs 多层级超结构的全结构要素控制。 该团队创造性地将动态掩模光取向技术引入近晶相液晶超结构控制，将“自上而下”的图案化取向与 “ 自下而上 ” 的液晶分子组装相结合，证实了上述分子层“折纸术”的设想。首先，引入两个相邻 ±45° 取向的区域，在各自区域内，缺陷线倒向取向方向，形成扇形的 square FCDs （ SFCDs ）；但在边界区域，相邻的分子层连接形成半圆形畴（图 1b ）。这是由于在两侧取向的方向上，液晶分子受取向剂表面锚泊力的影响，沿该方向排列，而另外一半由于与表面取向发生冲突而受到抑制，最终只生成半个 TFCD （图 1c ）。这打破了传统 TFCD 的旋转对称性，进而引入了形状和方向两个全新的几何维度。当引入周期交替的 ±45° 取向时，可诱导出朝向完全相反的半环面焦锥畴阵列，由于要满足与取向层方向吻合，两种情形会错开半个周期（图 1d ）。当相邻取向方向变为 0° 和 90° 时，半环面焦锥畴阵列的朝向变为 ±45° ，由于此时取向对两种情况均不违背，两者出现在同一列中，由 3/4 TFCD 或垂面区连接（图 1e ）。在 6 μm 到 16 μm 的周期范围内，畴的大小完全由预设的取向周期控制；当超过此范围，同一周期内会产生新的 SFCD ；而小于此范围，液晶层能接受到相邻取向区的影响，造成缺陷线偏向平均取向方向，也形成类似 SFCD 的畴。当进一步引入二维棋盘格形状的二元取向，并使相邻区域的取向角度从 ±15° 变化到 ±45°, 研究人员获得了内角从 100° 到 180° 的不同 Fragmented TFCDs （图 1f-h ）。这说明近晶相液晶焦锥畴的任何几何要素（大小、形状、方向、倾角）都可以通过合理的预设取向方向和图形来进行合理的控制；另外，由于每个畴的缺陷点精确坐落于取向边界的交叉点上，这使得精确操控畴的位置排列成为可能。 该类近晶相液晶焦锥畴打破了环面焦锥畴的旋转对称性，加上液晶材料自身的光学各向异性，呈现出了新颖的偏振依赖的不对称衍射现象。对图 1h 所示样品进行衍射实验，其衍射图样很好的反映了结构的对称特点（图 2a-d ）。随着入射偏振旋转，不同衍射级呈现出不同的变化规律（图 2e-h ）。这源于该类液晶畴独特的超结构。研究者对图 2a-d 所对应的情形进行了分析：对图 2j 所示情形，水平偏振对应着一组对称的锯齿形相位截面，所以在图 2a 中，所有的衍射斑点是左右对称的；而对于图 2k-l 所示的几种情形，对应的都是非对称的锯齿形相位截面，因而产生了类似闪耀光栅的衍射现象（图 2b-d ）。 图 2 ： Fragmented-TFCDs 表现出与 Meta-surface 相似的偏振依赖的衍射特性。 该研究拓宽了人们对软物质材料自组装行为的认识，增强了人们设计构筑多层级超结构材料的能力，是软物质材料和纳米技术领域的一项重大突破。近晶相液晶焦锥畴全维度操控的实现，将有助于我们打造更多新颖的先进功能材料和器件：如超疏水智能表面、软刻蚀模板、 粒子 捕获与 疏运材料、 仿生复眼阵列、偏振成像探测器件等。 图 3: 文章被选为该期内封面 该文章被选为该期的内封面。封面 整体造型仿清官员补子，有显著东方文化特色；云锦纹暗含了研究出自南京；居中采用金朝经典双鱼纹，既有阴阳和谐、连年有余的吉祥寓意，又暗含了自组装、仿生之意；下方江崖海水纹，山崖嵌入织构，不同颜色和宽度寓意厚度和周期可控；水纹、浪花、云纹暗合焦锥畴结构，内嵌两个真实织构，寓意角度、位置、构造可控；鱼身上的鳞片意同水纹，两条相反的鱼寓意双向等价；背景纹暗合焦锥畴的三维层状结构；星星排列和明暗分布暗合不对称结构导致的独特衍射现象。 本文第一作者为南大 14 级硕博连读生马玲玲同学， 南大研究生唐明劼、葛士军、陈鹏同学，苏州大学崔泽群博士，厦门大学陈鹭剑副教授，南京工业大学钱皓博士对本文有重要贡献， 胡伟副教授、陆延青教授与苏州大学迟力峰教授为共同通讯作者。该研究由国家自然科学基金项目资助完成，同时受到人工微结构科学与技术协同创新中心支持。
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涡旋光场产生方面取得新进展
热度 11 胡伟 2016-5-14 04:31
最近，我们在涡旋光场产生方面取得了系列新进展，研究结果相继发表在 Physical Review Applied (DOI: 10.1103/PhysRevApplied.5.044009) Phys. Rev. Appl. 2016, 5, 044009.pdf 和 Scientific Reports (DOI:10.1038/srep25528) Sci. Rep. 2016, 6, 25528.pdf 上。 我们所熟悉的高斯光束是旁轴波动方程的厄米－高斯（ Hermite-Gaussian ）本征解中的最低阶模式 HG 00 。旁轴波动方程还有另外一组完备的正交本征解，那就是拉盖尔－高斯（ Laguerre-Gaussian ）模式 LG(p,n) ， p 和 n 分别取不同整数来表示不同阶的模式， LG(0,0) 对应的就是常见的高斯光束。对于 n 不为 0 的高阶拉盖尔－高斯光束，在光束的中心，光强为零，同时该光束的波前呈螺旋状，表征光束能量传输的 Poynting 矢量也沿着螺旋曲线前行。 1986 年， Coullet 意识到在数学上，这种具有螺旋波前的拉盖尔－高斯光束与流体力学中的涡旋非常相似，并因此将其命名为光涡旋（ Opticalvortex ）。 1992 年，荷兰莱顿大学的 Allen 等人意识到光涡旋携带轨道角动量（ OAM ），随及引发光学界的广泛关注并促使涡旋光场成为光学前沿之一。 OAM 赋予了对光的性质进行调控的一个全新自由度，在微操控、 OAM 模式复用光通讯、量子计算和量子信息，以及天文观测等领域方面都有着广阔的应用前景。 OAM 的并行检测与处理，是基于 OAM 复用的光通讯技术的关键点之一。针对这一问题，我们将达曼叉形光栅的概念引入液晶微结构体系，利用液晶光取向技术，实现了液晶达曼叉形光栅的制备。该元件可将入射的高斯光等能量地转化为目标级次的涡旋光，不同级次携带不同 OAM （包括整数阶、高阶 LG 模和分数阶等）。这样，高衍射级次的效率大为提升，显著强化了 OAM 并行检测的能力。由于液晶的电光特性和元件的独特设计，使其具有动态开关、多波长适用、对入射偏振无依赖等特性。相关成果发表于 Generation of Equal-Energy Orbital Angular Momentum Beamsvia Photopatterned Liquid Crystals, Phys.Rev. Applied , 5 , 044009 (2016) 。论文第一作者是南京大学 14 级直博生陈鹏，胡伟副教授和陆延青教授为共同通讯作者。 图 1. 液晶达曼叉形光栅、 meta-q-plate 及其产生的涡旋光场 兼顾光束质量、转化效率、制作成本、设计灵活性一直是涡旋光场产生所追求的目标。 2006 年， Lorenzo 等人开发的 q-plate 提供了一种高效转换的新途径。该 q-plate 波片是光轴在空间极坐标系内周期渐变的半波片，其中拓扑荷 q 反映了光轴随着方位角变化的快慢。当圆偏振高斯光入射该波片时，出射光偏振完全翻转并携带 2qћ 的 OAM 。 q-plate 实现了光子自旋角动量（ SAM ）和 OAM 的耦合，在量子光学领域发挥了重要的作用。但传统 q-plate 只能调控 LG 模式中的拓扑荷数，产生单一 m 值的整数阶涡旋光场。为了进一步释放光场设计的灵活性，我们在 q-plate 的基础上提出了 meta-q-plate 的概念，使得 q 及初始光轴指向在空间极坐标内可任意变化。我们开发了实现液晶指向矢连续控制的独特工艺，进而实现了多种液晶 meta-q-plate 的设计制备，并产生了椭圆形、非对称形、多环和旋风状多种复杂的涡旋光场。该技术能够实现对光波前点对点的控制，这大大增强了对光场进行调控的灵活性，在光束整形领域具有重要意义。相关成果发表于 Meta-q-plate for complex beam shaping, Sci. Rep. , 6 , 25528 (2016) 。南京大学 13 级硕士生季玮与台湾中山大学李俊宏博士为论文的共同第一作者，胡伟副教授、林宗贤教授（台湾中山大学）和陆延青教授为共同通讯作者，南京大学张利剑教授、香港科技大学 Chigrinov 教授参与指导了本项研究。 图 2. 四岁小朋友 Hannie 一眼看出了 meta-q-plate 与涡旋光场的关联 有趣的是，在文章数据整理过程中，当时年仅四岁的 Hannie 小朋友对 meta-q-plate 表现出了强烈的兴趣，并一眼看出这是棒棒糖与大风车之间的关系，精确地把握住了 meta-q-plate 以其独特的空间指向矢分布调控波前，进而使光子携带轨道角动量的本质。本系列研究得到了国家自然科学基金、教育部博士点基金及高等学校基本科研业务费的支持。
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光取向液晶调控光场系列进展
胡伟 2015-12-19 00:37
光取向液晶调控光场系列进展 近年来，特殊光场的产生和调控成为光学领域的研究热点。其中，涡旋光束、艾里光束和矢量光束被广泛关注。涡旋光束具有螺旋位相，其中心位相奇点只有在光强为零的条件下才能够满足，故光束中心总是个黑点，如果将光束投射到屏幕上会呈现涡漩状，因此也称为光涡旋；该类光束独特的螺旋型等相面导致其坡印廷矢量绕轴旋转，光束因此携带轨道角动量（ OAM ）。 OAM 赋予了对光的性质进行调控的一个全新自由度，在微操控、 OAM 复用光通讯、量子计算和量子信息领域、以及天文观测等方面都有着广阔的应用前景。艾里光束可由平面波经立方位相调制生成，其显示出独特的无衍射、自加速和自愈的特性，在空间高能武器、微操纵、微加工和生物观测等领域都有广泛的应用前景。而矢量光束的特征是其偏振态在光束截面上呈现特殊分布。其中一类具有径向高对称性偏振分布的光场具有高数值孔径的聚焦特性，可用于超高分辨率的成像和对微粒及生物分子的精细操控。此外，该类光束在微纳光学、激光加工、非线性光学和太赫兹技术领域都有着广泛的应用。 科研人员已开发出一系列技术用于上述特殊光场的产生，然而传统技术在效率和灵活性方面都受到很大的限制。针对这一问题，南京大学陆延青教授与胡伟副教授带领研究团队创造性的将 Pancharatnam-Berryphase (PB 位相 ) 的概念引入叉形光栅和艾里模版等元件的设计，并利用自主开发的动态曝光系统，配合偏振敏感的光配向剂，采用分步层叠曝光和同步偏振控制结合的独特工艺，实现了系列偏振衍射光学元件的制备。不同于传统的位相概念， PB 位相是和偏振紧密关联的。同样是从左旋圆偏振变换到右旋圆偏振，在庞加莱球上走过不同的经线（经历不同的偏振变化过程），将会引入不同的位相延迟量。上述偏振态改变可通过引入半波片来实现，不同路径则对应到不同的半波片光轴指向方向。这样，通过设计半波片不同位置的光轴指向，则可以引入特定变化的 PB 位相（位相延迟量为光轴角度的二倍）。利用这类方案设计制备的偏振衍射元件具有圆偏振选择特性，理论上单个衍射级的效率高达 100% 。 光取向技术适于液晶的高分辨多畴取向。利用研究组开发的动态掩模光取向技术，将目标光轴排列以线偏振信息的形式写入光取向层，进而引导液晶微区取向，可以完美地实施空间光轴渐变的液晶半波片的制备。基于此制备的偏振叉形光栅，在将入射圆偏振反向的同时让光束携带上 OAM 。该类元件可将入射的单一圆偏振光全部转化为目标光束，实测的转化效率高达 99% 。改变入射偏振可连续调节正负一级涡旋光的能量分布。此外，由于设备的制备弹性，我们可以制备任意偏振叉形光栅，并高效产生和实时重构了各类（整数阶、高阶 LG 模和分数阶）涡旋光。 【 Generation of arbitrary vector beams with liquid crystal polarization converters and vector-photoaligned q-plates Photonics Research 2015, 3 (4), 133-139 . 】 基于动态光取向系统制备的元件产生的涡旋光束、艾里光束和矢量光束 除了线性的 PB 位相调制，该技术同样适用于非线性的 PB 位相调制。我们引入了立方 PB 位相制备偏振艾里模板。由于制备工艺的精度高和液晶分子的连续性好，该类偏振艾里模板可以产生高品质的艾里光束，且其双臂能量分布可以通过入射偏振进行连续调控。因为没有 ITO 等吸收光的材料，激光损伤阈值大幅提升。我们对其光损伤特性的初步研究显示， 0.5 J/cm 2 的脉冲激光长时间曝光（ 600 pulses @ 0.5 J/cm 2 , 1064 nm, 10 ns, 1 Hz ），样品未产生任何可观测的损伤。 【 Polarization-controllable Airy beams generated via a photoaligned director-variant liquid crystal mask Sci. Rep. 2015, 5 :17484 . 】 上述基于 PB 位相的液晶偏振衍射元件实现了对涡旋光束、艾里光束等复杂光场的高效产生、动态变换和快速调控，且在短脉冲强光调制方面有着重要应用前景。 通过对液晶盒一面均匀取向，另一面图形化取向，我们制备了特殊的扭曲向列相液晶盒。该类元件可用作偏振转换器，当线偏振光沿着均匀取向一侧的液晶光轴入射，出射偏振因偏振导波效应将跟随另一侧取向方向而形成特定的矢量光束。利用该技术，我们可以产生任意的矢量光束。进一步的，我们利用该类偏振转换器做矢量曝光，一步曝光即可实现偏振光学元件的取向控制。这大大简化了器件制备的工艺流程，适用于元件的大批量生产，为技术的实用化探索迈出了关键一步。【 Arbitrary and reconfigurable optical vortex generation: a high-efficiency technique using director-varying liquid crystal fork gratings Appl. Phys. Lett. 2015, 107 (24), 241102 . 】 论文第一作者分别是 2012 级 “ 英才计划 ” 博士生魏冰妍同学 ( SR ) 和 2014 级直博生陈鹏同学 ( PR APL ) ，胡伟副教授和陆延青教授为共同通讯作者，南京大学与香港科技大学合作完成。本系列研究得到了国家自然科学基金、教育部博士点基金及高等学校基本科研业务费的支持。
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马年的两篇科研论文NEWS
热度 8 胡伟 2015-2-14 23:57
转眼春节将至，回首马年，年首年尾各 发表了 一篇比较满意的工作；虽然本年度还有一些一区和二区的工作发表，但这两篇算是两个方向各自具有代表性的工作，为此我还专门写了NEWS推广。在此张贴出来，一来算是借助科学网的平台进行推广交流，再者也算是对自己研究方向的科普。请各位博友批评指教。 液晶与微纳光学研究组在“利用液晶光取向技术产生并调控光涡旋”方面取得重要进展 南京大学现代工程与应用科学学院 液晶与微纳光学研究组 在 利用液晶光取向技术产生并调控光涡旋方面取得重要进展 ，该研究成果于 2014 年 3 月 12 日发表在材料领域权威期刊《先进材料》 上 Adv.Mater. 2014, 26 (10), 1590-1595 。 当一束光的波前符合 Ψ 1 = exp( imθ ) 时，会具有螺旋相位。对于这类光束，其坡印廷矢量虽然整体向前，但是有横向分量，其指向在空间不断地打转，因此带来了轨道角动量 OAM 。形象说来，其光波前像意大利螺旋面一样沿着光的传播方向呈螺旋扭曲状排布；由于光束中间是位相的奇点，只有在光强为零的条件下才能够得以满足，故光束中间总是个黑点，如果将光束投射到屏幕上会呈现涡漩状。光涡旋及 OAM 的存在说明了研究历史悠久的光仍然存在着新奇的特性，近年来吸引了科研人员的强烈关注和广泛研究。 OAM 赋予了对光的性质进行调控的一个新自由度，打开了一条光信息复用的新通道。由于拓扑荷 m 的无限性，光涡旋对应的轨道角动量的态也是无限的。这预示着可以通过 OAM 复用来极大地增加无线及光钎通信的带宽。此外，用光涡旋来做光镊时，除了像普通光束一样捕获移动介电粒子外，还能够提供一个扭转力，使得对粒子的转动操控也变为可能。基于此，甚至可以对细小物体如 DNA 进行多维度精确操控。在天文学领域，基于光涡旋的日冕观测仪被用来屏蔽强的背景光以增加天文观测的对比度，这对于系外行星的直接观测起到了有力的推动作用。总之，光涡旋在光纤通信、微纳操控和天文观测等领域都有着广泛的应用。 迄今为止，科研人员已经开发出模式转换、螺旋位相片、 Q-plate 、叉形光栅等一系列技术以产生光涡旋。其中叉形光栅技术因其简便性成为一种常用的生成光涡旋的方法，它实际上是涡旋光和平面波倾斜干涉的面内图案。所以，如果入射平面波或高斯光，就可以在衍射级上看到 OAM 。控制图案结构，可使 0 级衍射完全消除，光分别衍射到不同的衍射级次上，具有不同的，逐渐增大的拓扑荷。将液晶这类具有优异电光性质的材料应用到其中，可进一步实现即时可调的光涡旋产生。 我们利用光取向技术取向控制灵活和图形分辨率高的特点，基于前期光取向液晶微结构制备技术开发【 Opt. Express 2012, 20 (5), 5384; Opt. Express 2012, 20 (15), 16684; Opt. Express 2013, 21 (6), 7608 】及相关应用探索【 Appl. Phys. Lett. 2012, 100 (11), 111116; Appl. Phys. Lett. 2012, 101 (3), 031112; Opt. Lett. 2012, 37 (17), 3627 】方面的研究经验，开发了一种全新的 产生及调控光涡旋的技术方法 。他们对前期自行研制的一套基于数控微镜阵（ DMD, Digital Micro-mirror Device ）的缩微投影系统进行了进一步改进，结合液晶光取向技术，制备了不同 m 值、不同取向模式的液晶叉形光栅，进而实现了快速响应、可重构、偏振和波长不敏感的高效高质量的光涡旋产生。液晶叉形光栅测试结果显示，对不同波长、任意偏振入射的可见光均获得了高达 75% 的± 1 级涡旋光转化效率。调节施加电压，可使光能完全转至零级（高斯光），一级及高阶衍射斑（涡旋光）完全消失，达到很好的开关态效果，引入双频液晶后，开关响应均达到亚毫秒量级。由于所用取向剂具有良好的可擦写特性，通过对样品再次曝光，实现了叉形光栅 m 值的实时擦写。该工作为制备低电压、低功耗、高效率、可电调、可光重构、偏振和波长不敏感的涡旋光束产生器提供了新的途径，并可推广应用到光通讯及 THz 波段，对涡旋光的应用拓展提供了铺垫。研究开发的数控微镜阵微光刻系统可用于实现任意液晶微结构图形和取向方向的实时控制，为可调控微纳光学研究提供了一种有效的技术手段。 本论文第一作者为 2012 级“英才计划”硕士生魏冰妍，胡伟副教授和陆延青教授为共同通信作者，南京大学作为第一单位与 Thorlabs （上海）、香港科技大学合作完成。 该研究得到了973 、自然基金、教育部博士点基金等的支持。 图 1 自行开发的数控微镜阵缩微投影装置示意图 图 2 不同 m 值的叉形光栅用于光涡旋的产生及调控 液晶与微纳光学研究组 在太赫兹电光元器件方面取得重要进展 最近，南京大学现代工程与应用科学学院液晶与微纳光学研究组在利用液晶实现宽带可调太赫兹波片的研究中取得重要进展。报导该研究成果的题为 Broadband tunable liquid crystal terahertz waveplates driven with porous graphene electrodes 的论文，于 2015 年 2 月 27 日发表在 * Light: Science Application 上 Light Sci. Appl. , 2015, 4 , e253 . 由于技术与材料的限制，频率处在 0.1 到 10 THz 之间的电磁波（即太赫兹波）在研究上一度成为电磁波谱上的空白。近年来，随着科技的迅猛发展，科学家逐渐在太赫兹波产生、传输和检测等方面取得了令人瞩目的成绩。太赫兹波由于其独特的优点，有望成为物质结构分析、生命医疗探测、高效绿色安检和高速无线通信的全新手段，并在天文观测、空间通讯和精密光谱测量等领域具有潜在的应用价值。 太赫兹研究与日俱增，但适用于该频段的光子学器件，尤其是可调控器件依然是一个挑战。液晶材料具有宽带可调的特性且拥有成熟的工业技术基础，因而基于液晶的太赫兹可调器件研究引起了科研人员的广泛关注。寻求成熟的可见光与通讯波段元器件（如：开关、衰减器、滤波片、偏振控制器、路由器等）在太赫兹频段的直接对映，并以此实现对太赫兹波的操控，已成为科技工作者的追求。但一直来该领域的研究面临着几个难题：一，可见光和通讯波段通常采用的透明导电薄膜如氧化铟锡（ ITO ）等在 THz 频段变得不再透明，因而在施加电场方面遇到严峻的挑战；二，液晶材料的双折射率随波长增加而减小，在 THz 频段显著降低，而 THz 波的波长又是可见光的成百上千倍，要达到同样的位相调制量，所需的液晶和厚度要达到毫米的量级，使得液晶的均匀配向无法实现。上述两个瓶颈严重的阻碍了该领域的发展。 在该工作中，研究者系统解决了上述问题，并提出了一整套实用的解决方案。本工作选取进行相位延迟和偏振转换的基本元件 —— 波片作为实例。液晶盒采取了一种独特的结构设计： 1. 选用亚波长金属线栅同时作为高透过电极和内置起偏器； 2. UVO 处理的多孔石墨烯作为无偏振依赖特性的高透电极（ 98% ）； 3. 非接触式光控取向作为无损伤的液晶配向技术； 4. 自行开发的在 THz 频段低吸收损耗、大双折射率的液晶材料 NJU-004 作为填充液晶材料。最终在 250 μm 较小盒厚的条件下，实现了 0.5-2.5 THz 宽带低电压连续调谐的 THz 波片，并验证了其偏振调控特性。在小体积、集成化、高效率、低能耗的实用液晶 THz 元器件方向上迈出了关键的一步。实现了液晶材料与 THz 技术的完美结合，在 THz 通信、传感探测、分析、成像等领域具有广泛的应用前景。 该工作得到了液晶界著名学者UCF S. T. Wu教授的高度评价, “Great progress and exciting results. ……You have solved very important problems in polarizer, transparent electrodes, LC materials and LC alignment. These are all very crucial to this emerging field.”审稿过程中也得到了三位审稿专家的一致好评：“In this manuscript, the authors demonstrated a clever approach to solve a tough problem of liquid crystal-based Terahertz phase shifter. ……Overall speaking, this paper is not only scientifically exciting but also practically useful.” “A nice literature review was given on the LC and graphene based terahertz devices.” “……UVO-treated graphene film……together with the high-quality liquid crystal developed by the authors, leads to a practical terahertz waveplate with the desired compactness, high efficiency and wide tuning range. This work is thus of general interest and practical significance.” 本论文王磊同学和林晓雯同学为共同第一作者，胡伟副教授和陆延青教授为共同通信作者，南京大学作为第一单位与南京工业大学、清华大学合作完成。该研究得益于国家自然科学基金和 973 项目的资助，同时离不开人工微结构科学与技术协同创新中心、太赫兹科学协同创新中心、学校 985 工程、江苏省优势学科建设工程（材料科学与工程）等的支持。 * Light: Science Applications 是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所与 Nature 出版集团合作出版的光学期刊（双周刊）。于 2012 年 3 月创刊，致力于推动全球范围内的光学研究，刊载光学领域基础、应用基础以及工程技术研究及应用方面的高质量、高影响力的原创性学术论文和综述文章。已获创刊首个影响因子 8.476 （ 2013 ）。 2014 年 IF 目前已超过 14 ，在近百种光学类期刊中紧随 Nature Photonics 排名第 2 。 图 1 THz 液晶波片示意图及电极透过率 图 2 THz 液晶可调波片测试及偏振转换的验证
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液晶稳定染料敏化太阳能电池，工作温度高达120℃（附原文）
热度 5 zhpd55 2014-11-10 10:34
液晶稳定 染料敏化太阳能电池，工作温度高达120 ℃（ 附原文 ） 诸平 染料敏化太阳能电池 (Dye-sensitized solar cells 简称 DSCs) 的主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从 1991 年瑞士洛桑高工 (EPFL)M. Grtzel 教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。 DSCs 主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物 (TiO 2 、 SnO 2 、 ZnO 等 ) ，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为 DSCs 的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂 (Pt) 。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I 3 - /I - （见图 1 和图 2 ）。 DSCs 与传统的太阳电池相比有以下一些优势： (1) 寿命长：使用寿命可达 15-20 年 ; (2) 结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产 ; (3) 制备电池耗能较少，能源回收周期短 ; (4) 生产成本较低，仅为硅太阳能电池的 1/5 ～ 1/10 ，预计每瓦的电池成本在 10 元以内。 (5) 生产过程中无毒无污染。 经过短短十几年时间，染料敏化太阳电池研究在染料、电极、电解质等各方面取得了很大进展。同时在高效率、稳定性、耐久性、等方面还有很大的发展空间。但真正使之走向产业化，服务于人类，还需要全世界各国科研工作者的共同努力。这一新型太阳电池有着比硅电池更为广泛的用途：如可用塑料或金属薄板使之轻量化，薄膜化 ; 可使用各种色彩鲜艳的染料使之多彩化 ; 另外，还可设计成各种形状的太阳能电池使之多样化。总之染料敏化纳米晶太阳能电池有着十分广阔的产业化前景，是具有相当广泛应用前景的新型太阳电池。相信在不久的将来，染料敏化太阳电池将会走进我们的生活。 但是 DSCs 的最大不足就在于由于电解质的稳定性较差，难以在较高温度下正常工作，受温度的影响会使电池性能下降。电解质的降解或者蒸发是导致电池性能下降的重要影响因素之一。对此，日本科学家利用液晶来稳定 DSCs, 使其工作温度高达 120 ℃ ，创下了DSCs工作温度的最高纪录。 据美国化学会《化学与工程新闻》（ Chemical Engineering News ）网站 2014 年 11 月 7 日 报道，液晶新电解质会使 DSCs 在高温下工作。图 3 是沟道 DSCs 示意图。左图是由两块掺氟氧化锡 (FTO) 玻璃组成，其中之一涂有二氧化钛和染料纳米颗粒作为阳极，而另一块上涂有铂（ Pt ）作为阴极（ FTO/Pt ） , 中间是一种纳米结构的液晶 (LC) 电解质（ Electrolyte ）。 LC 分子聚集可以形成多条沟道，以便在阳极和阴极之间高效运输离子 ( 如图 3 所示右侧图示 ) 。 Fig. 3 CHANNELING POWER A dye-sensitized solar cell (left) consists of two plates of fluoride-doped tin oxide (FTO) glass, one coated with titanium dioxide and dye nanoparticles to act as an anode, and the other coated with platinum for a cathode. A nanostructured liquid-crystal (LC) electrolyte (center) sits between the electrodes. The LC molecules assemble to create channels for efficient ion transport between anode and cathode (right). Credit: Chem. Mater. DSCs 的优势上述已经有所介绍，即廉价、易于加工制造。但它们有一个主要缺点 : 无法在高温下很好的工作 , 这对于设计一种吸收阳光的设备来说，无疑是一道难题。现在 , 日本东京大学（ University of Tokyo ）的 加藤隆志 （ Takashi Kato ）教授等人，将液晶并入光伏电池设备 , 制得的太阳能电池即使在 120 ℃ 条件下也能正常工作 , 这也是 DSCs 报告的最高工作温度。相关研究结果已经在《材料化学》杂志网站 ( Chem. Mater. 2014 ， DOI: 10.1021/cm503090z ) 2014 年 10 月 21 日 公布—— Daniel Högberg , Bartolome Soberats , Satoshi Uchida , Masafumi Yoshio , Lars Kloo , Hiroshi Segawa , Takashi Kato . Nanostructured Two-Component Liquid-Crystalline Electrolytes for High Temperature Dye-Sensitized Solar Cells. Chem.Mater., DOI: 10.1021/cm503090z . Publication Date (Web): October 21, 2014. DSCs 也被称为 Gratzel 电池 , 由阳极和阴极以及电解液组成，电解液将两极分开。阳极携带二氧化钛颗粒 , 涂有吸收阳光的染料 , 在吸收阳光之后，产生光电效应，会释放出电子。电解液中的碘离子帮助从阴极将电子运输到阳极 , 产生电势（见图 2 所示）。 早期的 DSCs ，电解液是由含有碘离子的有机溶剂组成的。不幸的是 , 此液体容易泄漏和高温下易于蒸发。更近一些 DSCs 使用非挥发性的电解质 , 如聚合物等 , 但是这些设备无法有效地将太阳光能转化为电能。离子液体具有导电率高和挥发性低的特性 , 可以说是很有前途的电解质 , 但其在高温下的稳定性差是致命的弱点。 所以东京大学的 加藤隆志 （ Takashi Kato ）教授和他的同事们决定创建一种更稳定的电解质，通过以碘化物为基础的离子液体与以碳酸酯为基础的分子组合形成液晶。这种液晶可以自组装成一种层状纳米结构 , 允许研究人员在电解质内设计有效传输离子的通道。与用于显示器的液晶不同 , 不是为了对电压的响应而使其发生改变。因为这种液晶在高温下保持稳定 , 组合电解质同样保持可行。 双组分液晶电解质的组成是基于化合物1和化合物2的混合物，化合物1和化合物2的化学结构式以及混合形成2D液晶电解质的过程如下： 表1是含有不同电解质混合物的DSCs在30 ℃和90 ℃ 条件下的光伏参数 a 由表1可知， 不同电解质混合物的DSCs在高温条件下的光电转换效率要高于低温条件。 加藤隆志 教授于 1983 年和 1988 年在东京大学分别获得硕士和博士学位，现为东京大学教授，曾获得 1993 年度日本化学会青年科学家奖、 2001 年度威利（ Wiley ）高分子科学奖、 2005 年度 JSPS 一等奖等多项奖励，已发表论文数百篇，并担任 Advanced Materials 等多个国际知名期刊的编委。他领导的研究小组研制的液晶电解质 DSCs ，可以将收集到阳光中的 2.7% 在 90 ℃ 转化为电能，而标准的 DSCs 在室温下的转换效率是 11%~12%, 但是其光电转化性能在 50 ℃ 以上便开始下降,而 国际标准要求在 85 ℃ 条件下进行 测试。 加藤隆志 希望将他们研制的太阳能电池的光电转换效率提高到 8% ～ 10%, 这足以使其在商业上有利可图。 他打算尝试用不同的电解质材料组合来提高染料光敏太阳能电池的光电转换效率。因为 加藤隆志 教授认为这样不是没有可能 , 液晶重组之后会使电解质聚合 , 在特定位置锁定一种最佳纳米结构。这样的一种固态电解质毫无疑问，是不会出现泄漏问题的 , 也会考虑到更易于弯曲的太阳能电池适用。 桑迪亚国家实验室（ Sandia National Laboratories ）的埃里克·斯波克（ Erik Spoerke ）说， 加藤隆志 教授他们研制的染料敏化太阳能电池可能在 120 ℃ 条件下无法正常运转 , 但电解质的 “ 高温稳定性意味着此太阳能设备有可能在更合理的操作温度下，电解质不太容易降解退化而使电池的光电转换效率受到影响。 ” 瑞士巴塞尔大学（ University of Basel ）的化学家埃德温 · 康斯特布尔（ Edwin C. Constable ）说 , 新电解液 “ 开辟了进一步提高 DSCs 性能的新方法 ” 。 巴塞尔大学的凯瑟琳 · 豪斯克罗夫特（ Catherine E. Housecroft ）认为，使用 “ 液晶为离子运输提供了一种基质，确实是一项令人兴奋的研究进展 , 也是一项应该引起 DSC 社团广泛感兴趣的研究成果。 ” 更多信息请浏览原文： cm503090z.pdf 。
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病毒，化敌为友
热度 7 nanophage 2014-8-3 13:00
引言： 本文内容基于博主本人在 2014 年青少年高校科学营南开大学分营的分组上的科普报告整理而成。博主本人并不从事病毒生理学方面的研究，只是利用病毒作为化学及物理研究的模型。本文中涉及到的很多关于病毒的基础知识的表述仅供参考。文字内容为博主本人原创，图片则来自网络或者相关文献。 这几天科学网博客圈关于病毒的讨论较为热烈，张磊博主的一篇科普博文把正在西非流行的于“埃博拉”病毒带入了人们的视线 ( 图 1) 。孙学军老师的最新博文介绍了发表在《自然 - 通讯》杂志上一篇关于人体肠道内的噬菌体（病毒的一种）的最新文章 。无疑，“病毒”这两个字往往让人联想到疾病和死亡以及由此带来的恐慌等。历史上已发生多次由于病毒的广泛传播带来的大规模人类死亡的事件。许多人也许对 2002 年的 SARS 带来的恐慌还记忆犹新。 HIV 病毒的全球大流行不但是生物医学的挑战，更是促进了基于文化 ﹑ 哲学的深层次反思。许多小众人类文明的无声无息的消失可能也拜病毒所赐。“埃博拉”病毒更是一些影视作品和书籍的关注对象 。 Figure 1. “埃博拉”（ Ebola ）病毒的电镜照片及其结构示意图。 左边电镜照片来源于 PLoS ONE 7(1): e29608. doi:10.1371/journal.pone.0029608 。右上角展示的是该病毒的一种多倍体（ polyploidy ），来源于网络。背景图片来源于： 病毒本质上一种高效的传递遗传物质的机器。其结构可以说非常简单， 其主体通常是由一个蛋白质构成的容器 (Protein capsid, 蛋白质衣壳 ) ，在其内部装载有遗传物质 （图 2 ）。如此简单的结构使得 DNA 双螺旋结构的发现者之一 Francis Crick 曾说过 : “Any child could make a virus” 。这中结构上的高度简单，赋予病毒高效的生物适应性和快速的变异能力。当然，也有结构复杂的病毒。许多病毒在其蛋白质衣壳外还有一层包膜（图 2 ）。包膜往往由复杂的糖蛋白 ﹑ 脂质体等构成。在这层外衣上面还含有穿膜蛋白和各种识别因子等可以保证病毒轻易地进入宿主细胞或者细菌。含有包膜的病毒通常难以治愈，如 HIV, SARS 以及埃博拉病毒等都含有非常复杂的包膜。病毒根据其感染的宿主可以分为动物性病毒 ﹑ 植物性病毒以及噬菌体 ( 图 3) 。前两种病毒从字面上不言而喻。最后一种噬菌体 (Bacteriophage) ，指的是一类以感染细菌为主的病毒，如 Ff 系列棒状病毒。植物性病毒中以烟草花叶病毒 (TMV) 最广为人知。病毒的大小一般在几十个纳米范围之内，但也有微米级别以上的病毒被发现 。 Figure 2. 几种典型病毒及其结构示意图。图片来源于网络。 Figure 3. 常见的植物性病毒 ﹑ 噬菌体以及动物性病毒。图片来源于网络，本文作者收集整理。 对病毒的研究长期以来无外乎是提取分离得到病毒样本，表征其结构，搞清楚其感染 - 复制的机理以及传播和致病的途径，然后找到治疗的手段。其一直是病理学家或者生物学家关注的对象。但是 20 世纪 60 年代对病毒的广泛研究催生了分子生物学的诞生。英国女科学家 Rosalind Franklin 通过 X 射线对烟草花叶病毒结构的表征为 James Watson 和 Francis Crick 发现 DNA 的双螺旋结构提供了重要的数据 ，也为至今争论不休的谁是双螺旋结构的真正发现者的话题埋下了伏笔。在抗生素广泛使用以前，基于病毒尤其是噬菌体来抗菌的治疗手段颇为流行，至今仍在俄罗斯和乌克兰等地使用 。在抗生素滥用导致的超级致病细菌 (superbug) 越来越多的情况下，《自然》最近一期关于抗菌材料的专刊里面重提了用病毒 ( 特别是噬菌体 ) 来杀菌的可能性 。 2013 年欧盟的第 7 次研究框架也资助了名为 ”PhagoBurn” 的项目，旨在重先审视噬菌体病毒用于抗菌的可能性 。就博主本人关注的领域， 1936 年， Bawden 等人将一条金鱼放到感染烟草花叶病毒的烟叶提取液里面，观测到了金鱼在游动过程中产生的双折射现象 。著名物理化学家 Lars Onsager 受此启发发展了解释了棒状颗粒形成溶致型液晶的理论，提出了 ” 熵致有序“的概念 。 从上述这些早期的例子可以看出，病毒不单单是带来痛苦 ﹑ 疾病以及死亡，也为人类知识结构的发展立下了汗马功劳。通过对病毒的深入认识，其很多特性可以为我们所用。 这些独有的宝贵特性往往是经过数代近几十万年的进化不断提炼形成的，如能被人类合理使用，具有事半功倍的效果。 在前期大量工作的基础上，这方面的开拓者 M. Yang 和 T. Douglas 于 2006 年在《 Science 》上发表题为 ” Viruses: making friends with old foes” 的评论文章 。当前，病毒已经受到来自物理 ﹑ 数学 ﹑ 化学以及生物药学等诸多领域研究者的广泛关注。 那么，病毒有哪些特性值得我们关注呢？ 首先，如前所述，病毒是一台高效的传递遗传物质的机器。一般来说，病毒可以有效地渗透宿主的防御机制而在其体内自由穿梭，可以精准地识别其感染的目标细胞或者细菌。如噬菌体 fd 或者 M13 病毒具有特定的蛋白质 P3, 仅能识别特殊菌株的大肠杆菌并对其进行感染。在识别到目标细胞或者细菌后，病毒通过胞吞或者膜融合的方式将其所包含的遗传物质注入目标细胞或者细菌内部，并利用目标细胞或者细菌的各种原料进行复制组装，在短时间内产生大量的复制体（图 4 ）。可以想象，将病毒包含的固有遗传物质用特定的基因片段或者药物替换，然后利用病毒的高效运载能力和靶向识别能力，可以将基因片段或者药物传递到特定的病症部位的特定细胞内部。这种特性在基因传递修复治疗复杂疾病 (viral gene delivery) ，靶向药物传输的治疗癌症等方面引起了广泛关注。但是基于病毒的基因传递体系往往会引起较大的免疫反应等副作用而受到冷落。近几年，基于除掉遗传物质的植物类病毒类似颗粒 （ virus like particle ）的靶向药物传输的研究又开始兴起。植物类病毒被认为对人体无害。噬菌体特异性地感染特定的细菌菌株，通过消耗其物质以及大量繁殖后破壳而出导致细菌死亡的特性，真是病毒用于抗菌的背后机理。 Figure 4. 现代电子显微镜技术可以清晰地揭示病毒感染和复制的过程。图片来源于图中所引文献。 其次，基因和化学可改性。由于绝大多数病毒的结构就是一个由蛋白质构成的容器包含有遗传物质。遗传物质的使命就是复制自身和利用宿主内的原材料编码表达构成蛋白质容器的蛋白。因此，可以对病毒所搭载的遗传物质进行人为的修改，加入一些特定的编码片段，从而在病毒的原有的衣壳蛋白表面生长出新的蛋白片段。这些蛋白片段可以作为生物医药，蛋白质酶等。美国科学家 Smith 发明的 Phage display 技术无疑是这方面的典范 。其二，病毒的蛋白质容器暴露在水体系的蛋白片段部分往往含有大量的官能团，可以用于化学反应，堪称天然的化学反应平台。而且病毒的三维立体结构，提供一种三维立体空间，病毒蛋白质壳内部可用于装载有效的物质，表面则通过化学反应修饰上荧光基团，靶向基团，可以用于生物医学中的成像诊断 。 第三，精准的形貌和尺寸。含有包膜的病毒如“埃博拉”病毒形状和尺寸不太规整，往往以多倍体（ polyploidy ）的形式存在（图 1 ） ，即几个病毒可能融合成一个个体。但是绝大部分不含包膜的病毒具有高度统一的形貌和尺寸。这类病毒根据其形貌可分为准球形病毒（ quazosphereical ）和棒状或者纤维状病毒 (filamentousvirus) 。 前者以豌豆荚病毒为代表。神奇的是，这类准球形病毒的蛋白衣壳往往以多面体 (icosahedral) 的形式存在，如 20 面体。这种多面体的对称形式的数学意义以及生物意义引起了来自数学界，物理界的关注。棒状或者纤维状病毒以烟草花叶病毒（ TMV ）为代表。 TMV 为一直径为 18 纳米，长为 300 纳米的刚性棒。而我们课题组使用的 Ff 则直径为 6.6 纳米，长为 880 纳米的半柔性纤维状。尽管现代纳米化学的发展使得人们可以合成各种大小形貌的纳米粒子，但很难达到这种由基因控制的精准的形貌，尺寸。因此，病毒是理想的生物纳米粒子，可以用做物理模型来研究一些基本的物理问题。如棒状的烟草花叶病毒，我们课题所使用的纤维状 fd/M13 噬菌体等，由于结构均一，被广泛用作溶致液晶模型 。 最后，病毒的组装行为。对于结构简单的病毒，其蛋白质容器是由数量从几十到上千个不同种类的蛋白质通过一些非化学共价键组装而成的，形成的蛋白质容器往往具备一定的力学刚性，可以承受一定的极端条件如高温和强酸强碱，这样可以很好地保护其内部所搭载的遗传物质。如上述的烟草花叶病毒就是由数千个相同的蛋白质像砌烟囱一样以螺旋的形式堆叠而成的。这种靠非共价键驱动而成的自组装行为堪称现代超分子化学的自然案例。此外，将构成病毒的蛋白质容器的单个蛋白可以在非生理条件下进行自发组装，可以构建病毒类似颗粒用于装载各种药物等。除了这种在蛋白质层次上的组装外，我们课题所使用的纤维状 fd/M13 噬菌体在形成向列型液晶后，能在三维空间以手性螺旋的方式排列 ( 图 5) 。这种排列方式的起因至今仍是一个谜 。 Figure5. 纤维状 fd/M13 噬菌体形成的手性向列型液晶。 当然病毒还有许多其他优异的特性。上述几个特性在病毒的利用方面发挥非常重要的基石。此外，值得欣慰的是，植物性病毒以及多种噬菌体已经被证实对人体无害。正式这些特性，病毒在生物医学，纳米技术，物理以及化学方面引起了广泛的关注，近几年涌现出许多知名的课题组。 MIT 的 Angla Belcher 课题组采用 Phage display 技术在噬菌体 M13 的表面长出喜欢某一特定无机材料的蛋白质片段，从而将病毒作为模板来制备许多基于病毒的纳米功能材料，如 2009 年发明所谓的病毒电池的原型曾被展示给总统奥巴马 。在病毒的化学改性方面，以 Scripps 研究所的 M.G. Finn 教授为代表，对一类球形植物病毒进行了各种化学改性修饰并探索了其在生物医学方面的应用 。 Mark Yang 和 T. Douglas 联手在类病毒粒子 (VLP) 用作纳米容器来装载纳米粒子，提供化学反应受限空间等方面的进行了大量的研究 。物理模型方面，以美国 Brandies 大学的 Seth Fraden 和其学生 ZvonimirDogic 为代表，后者近几年在纤维状病毒的三维可控组装方面取得了许多突破，工作多发表在 Nature 及其子刊上 。美国的华裔学者如 Wang Qian, Mao Chuanbin 等在相关领域也有很多成果 。国内现在有几个课题组开始这方面的研究。 自 2011 年 6 月以来，在前期工作的基础上，我们开始了用化学改性的方法调控纤维状 fd/M13 噬菌体三维组装并将其物理性能转换为有用的材料性能的研究方向。我们采用纤维状 fd/M13 噬菌体，通过在其表面修饰上响应性高分子，制备了基于病毒的纳米纤维状水凝胶 。同时通过表面化学改性来调控纤维状 fd/M13 噬菌体的三维手性液晶的排列 。如在这类 fd/M13 噬菌体的表面修饰上糖响应的基元后，可以利用糖类来调控其手性液晶行为。这些工作得到了国家自然科学基金和天津市自然科学基金的支持。 “知己知彼，百战不殆”，人类与病毒战斗的过程就是对病毒的深刻认识的过程。自然界仍然存在许多不为人知的病毒，对其优异特性的认识有助于解决我们人类面临的一些科学难题。如一些存在于温泉的高度噬热的病毒，其蛋白质壳具有耐高温的特性。病毒可能早于人类存在于这个星球，已经伴随了整个人类历史的发展，也将继续与人类共存下去。“化敌为友，为我所用”可能是与病毒共存的一种较好的策略。 References http://blog.sciencenet.cn/blog-520749-816176.html http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-816545.html 美国电影《极度恐慌》（ Outbreak) 。 纪实小说《高危地带》 , 作者 : 理查德·普莱斯顿。 Angela N.H. Creager, The PlantCell 11(3), 301-308 (1999) Science 341, 281 (2013); Franklin R.E. Nature 175,379–381 (1955); Nature 177, 928–930 (1956) Nature , Volume 509 Number 7498 pp7-128, 1 May 2014 http://www.phagoburn.eu/ Bawden, F. C., Pirie, N. W., Bernal, J. D., Fankuchen, I.Liquid crystalline substances from virus-infected plants. Nature, 138,1051-1052 (1936). Onsager L. The effects ofshape on the interaction of colloidal particles . Annals of the New YorkAcademy of Sciences, 1949, 51(4): 627-659. Douglas T, Young M. Viruses:making friends with old foes . Science, 2006, 312(5775): 873-875. Smith G P. Filamentous fusionphage: novel expression vectors that display cloned antigens on the virionsurface . Science, 1985, 228(4705): 1315-1317. Bruckman, M. A., Jiang, K.,Simpson, E. J., Randolph, L. N., Luyt, L. G., Yu, X., Steinmetz, N. F.(2014). Dual-modal magnetic resonance and fluorescence imaging ofatherosclerotic plaques in vivo using VCAM-1 targeted tobacco mosaic virus.Nano letters, 14(3), 1551-1558. 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结晶年里说晶体之三——液晶
热度 6 liwei999 2014-6-13 11:21
结晶年里说晶体之三——液晶 作者: mirror (*) 日期: 06/12/2014 21:12:32 打出广告是为了给自己施个压力，因为这类帖子 是属于可写可不写的一类。 晶体的缘由是来自宝石，一种硬度较高的矿物质，所谓的固体，用来做装饰品，是个相当有历史的领域。国际晶体年的来由是因为纪念晶体的X线衍射发现100周年。一百年前，人们获得了一种观察物质微观结构的手段。 在看到物质的微观结构之前，吸引人的依旧是物质的宏观形态，这也是女士们喜欢大钻石的理由之一。物质的宏观一般认为有三态：固液气。气体和液体之间的相变理论比较高级，在1873年由 范徳华 完成。液体和固体之间相变，一般认为是比较单纯：一个融点，一个潜热，基本上就这些了。融点的测量，一般用 热分析 的方法。【多余的话：百度百科与维基百科，条目的优劣且不论，条目写法的规矩需要有个考虑。赤裸裸的广告段子不应该出现在百科的条目里吧？】热分析的结果，很早就作为一个判断纯物质的手段。 莱尼泽（Friedrich Reinitzer） 从胡萝卜里提取胆固醇的化合物，发现了该物质具有两个融点：在145.5℃时融化，变成带有粉颜色的混浊流体。当温度升到178.5℃后，混浊流体变成透明的液体。并且在变相温度附近，液体会有些奇异的颜色。这很让Reinitzer伤脑筋，他并不知道他发现了一种新的物质态- 液晶 。液晶是今天的说法，当初雷曼是说“流动的晶体”。1888年3月14日，Reinitzer反复确定了他的发现后，向搞物理（晶体）的 奥托·雷曼(Otto Lehmann) 写信求教。他算是找对了人了。雷曼搞的是异构晶体学，发明了带偏振分析的光学显微镜，并且将加热和冷却的样品台装进了显微镜。这些在今天看来，都是研究液晶必备的道具。如今，成就了家中的液晶彩电的关键物质，大约在一百多年前就这样被开始研究了。当初也没有人能够看出液晶的用途，那时收音机和电视还没有被发明。人们对“流动的晶体”的概念有着本能的拒绝反应，液晶作为一种物质状态，与 胶体 是否相似等等的，质疑了很久。为此，1905年德国的物理化学会还专门开了会、做了判定，算是给液晶上了户口。 作为物质的液晶的话题也没有什么好说的了。但是作为材料和相关产业的液晶，有几个有关科研、技术开发和产业的话题很有意思： 1） 美国乡下的大学为什么想到了成立一个液晶研究所？ 2）老牌的电视公司，第一个造出了液晶显屏的 RCA 为什么最后倒闭了？ 3）液晶彩电研发的历史 等有机会再写吧。 ---------- 就“是”论事儿，就“事儿”论是，就“事儿”论“事儿”。
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等离子TV 和 液晶TV
热度 1 liwei999 2012-2-21 12:15
日光灯也是“等离子”。等离子是说正负电荷数相等的“体”，呈中性。 作者: mirror (*) 日期: 02/20/2012 18:30:51 从颜色和时间响应上看，目前的等离子电视要比液晶的好。当然，这些多是在仪器鉴定条 件下的结果，消费者是否能感觉出来是另外的问题。 等离子TV的原理是每个像素都是一个小的日光灯管。液晶TV的原理是白光前面有个“滤色”的液晶像素。所谓LED照明，不过是白光的发光体改用LED管子了，寿命长些，耗电少些。 理想发色的器件依然是传统彩色电视的屏幕。因为人们用它做标准，按传统彩色电视为100分，给各种其他类型的显示器的发色打分。在家看电视属于“消费”，发色不是大问题。如果是在生产环节上，颜色就是个大问题了。 最理想的图像显示器应该是全LED结构的。即每个像素都是由不同原色的LED管在发光，实现等离子TV的“固体化”。小面积的这类产品已经有了，大面积的产品也应该在不久将来登场。到那个时候，商家就要推销一人一台TV，一屋一台TV的概念了。 ---------- 就“是”论事儿，就“事儿”论是，就“事儿”论“事儿”。
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貌似不可能的分子：“彭罗斯楼梯”分子
热度 3 hxgwzu 2011-6-10 21:07
貌似不可能的分子：“彭罗斯楼梯”分子
“彭罗斯楼梯”（Penrose stair），也许很多人还不熟悉，它来源于 M.C.Escher 那张著名的画，如下图所示： 沿着楼梯绕一圈，你能辨识出哪一级最低，哪一级最高吗？ 如果顺时针走一圈，你会发现什么？ 如果逆时针走一圈，你又会发现什么？ 这个神奇的楼梯，似乎总可以往上走，但最后是闭合成环的，不是吗？这个奇妙的视觉景象，就是著名的“彭罗斯楼梯”，是以其发现者莱昂内尔和罗杰·彭罗斯（ Lionel and Roger Penrose）的名字命名的。 在现实中，能合成出这样结构的分子吗？就在今年5月23日在线发表的《德国应用化学》（ DOI:10.1002/anie.201102210 ）杂志上，日本筑波大学的Hiroyuki Isobe教授及其合作者，报道了一种“彭罗斯楼梯”分子，如下图所示： (Taken from DOI:10.1002/anie.201102210) 在这个貌似不可能的分子中，两个螺旋分子、两个扭曲轴，以大环形式结合在一起。看上去，整个分子在环形结构上是在不断地下降，其中包含了一个sp 2 -碳的网络。这不就是“彭罗斯楼梯”的分子实物吗？ 在理论上，一个螺旋，不管是实物还是几何体，既可以左旋，也可以右旋。在上述“彭罗斯楼梯”分子中，环结构包含了两个螺烯（Helicenes），两者在同一个方向扭曲。当以二维的透视图表示时，双重螺烯就给人以“彭罗斯楼梯”的印象：两半都是沿楼梯下降的，但沿环一圈后，眼睛却在起点的右后方。 也许有人会问，这怎么可能呢？这个分子很清楚不是一个可能的实体；它的存在以及它的结构，远超想象。解开这个谜团的钥匙是，当这个分子从侧面来展示的时候，两个“建筑块”（Building blocks）之间的单键的轴向扭曲，使得螺旋环系统的倾斜取向成为可能。 Isobe教授预期，这一类的分子可以为新型的液晶分子的开发提供一个新天地。 Reference : (1)Nakanishi, W., Matsuno, T., Ichikawa, J. and Isobe, H. (2011), Illusory Molecular Expression of “Penrose Stairs” by an Aromatic Hydrocarbon. Angewandte Chemie International Edition, 50:n/a. doi:10.1002/anie.201102210 (2)http://psylux.psych.tu-dresden.de/i1/kaw/diverses%20Material/www.illusionworks.com/html/impossible_staircase.html ( http://www.optical-illusion-pictures.com/paradox.html )
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[转载]看一看。很有用
jhwang1228 2010-12-1 16:47
国际液晶学会Glenn H. Brown Prize奖 转载自 http://blog.51xuewen.com/xiaopengcui Glenn H. Brown Prize简介 Glenn H. Brown Prize之宗旨为鼓励优秀 博士 论文 ，以推广并传播液态晶体相关之知识与学问，每两年由全 世界 受推荐的博士论文中选出至多四位得奖者。得奖者将于每两年一次的国际液晶会议 International Liquid Crystal Conference（ILCC）中被公开表扬及受邀参加ILCC的晚宴。受邀于国际液晶会议，公开对来自于全球各地液晶 物理 领域中的专家学者发表专题演讲（Glenn H. Brown Invited Lectures）。 国际液晶学会网址 http://www.ilcsoc.org/ 已知华人获奖者 本校光电系教授，同时担任交大跨领域光电 科技 中心（X-PhotonIC）成员的林怡欣教授，其研究成果在今年三月被国际知名期刊《物理评论通讯》( Physical Review Letters)采用并荣登封面主题故事后，再次于液晶物理研究领域获得佳绩。 林怡欣教授毕业于美国中佛罗里达大学光电学院，其博士论文 Polarization-independent Liquid Crystal Devices 获得国际液晶学会(International Liquid Crystal Society, ILCS)的青睐，获选为2008年的Glenn H. Brown Prize四位得主之一。Glenn H. Brown Prize之宗旨为鼓励优秀博士论文，以推广并传播液态晶体相关之知识与学问，每两年由全世界受推荐的博士论文中选出至多四位得奖者。得奖者将于每两年一次的国际液晶会议 International Liquid Crystal Conference（ILCC）中被公开表扬及受邀参加ILCC的晚宴。本届国际液晶会议于韩国举行，林怡欣教授也受邀于国际液晶会议，公开对来自于全球各地液晶物理领域中的专家学者发表专题演讲（Glenn H. Brown Invited Lectures）。 林怡欣教授荣获Glenn H. Brown Prize证书 林怡欣教授的论文指导教授为美国中佛罗里达大学光电学院（College of Optics and Photonics, University of Central Florida）教授同时也是交大光电系的兼任教授吴诗聪教授（Prof. S. T. Wu）。林怡欣老师于2006年5月于美国中佛罗里达大学光电学院 (College of Optics and Photonics, University of Central Florida)获得 光学 博士学位。 林怡欣教授于国际液晶会议 International Liquid Crystal Conference（ILCC）的开幕仪式中公开表扬 在来自于国际液晶学会的贺函中，主席Satyendra Kumar教授称，国际液晶学会之荣誉与奖项委员会全体委员一致通过林老师论文获奖。委员评论该论文于液晶领域的重大贡献为发展了数种不受光偏极方向影响的液晶光调制 原理 ，是液晶光子学与显示器领域极值得注意的进展（developing several novel principles for the operation of polarization-independent modulators based on liquid crystals which significantly advance the fields of liquid crystal photonics and displays.）。林怡欣教授在接获贺函后表示国际液晶学会的评审委员全都是全球液晶界的大师，能获得如此评价，对她的研究真是莫大的肯定及鼓励。 林怡欣教授在荣获国际知名期刊《物理评论通讯》( Physical Review Letters)采用并荣登封面主题故事后，又获得国际液晶学会的青睐，获选为2008年的Glenn H. Brown Prize得主之一，表现不凡。相信林怡欣教授的优秀研究成果，必能成为全体交大学生的楷模，并让交大学生有新的研究视野与观点。 林怡欣教授于国际液晶会议 International Liquid Crystal Conference（ILCC）的开幕仪式中发表专题演讲 注：国际液晶学会是液晶领域最有名的国际学会，台湾的「 中国 液态晶体学会」为其分会，目前会长为交通大学应化系许千树教授。 International Liquid Crystal Conference（ILCC）网站： http://www.ilcsoc.org/ The ILCS Glenn H. Brown Prizes相关信息： http://www.ilcsoc.org/GBPrize.html 历届Glenn H. Brown 奖得主名单 (1986-2006)： http://www.ilcsoc.org/gbp3.htm 交大光电系网站： http://www.ieo.nctu.edu.tw/main.php 跨领域光电科技研究中心网站： http://xphotonic.ieo.nctu.edu.tw/main.php 林怡欣老师网站： http://www.cc.nctu.edu.tw/~yilin
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mirror - 照相机的设计
liwei999 2010-7-20 02:02
也就小了一个胶卷的空间。 (29352) Posted by: mirror Date: October 25, 2006 01:06AM 镜头兼容性，操作方便性不错。 现在无论CCD还是CMOS感光元件尺寸都很小的理解不合适。像素尺寸小了，饱和电荷的容量就小，可调节的曝光时间尺度就窄，读取噪音也相对大，图像质量要变坏。 质量高的镜头设计是只有大，不可能小的。因为光通量和加工工艺的原因。电池不可能小。 胶卷感光面积历史上有过比135更小的规格。不过还没有等用起来，就被电子的怒涛洗没了。 -------- 就是论事儿，就事儿论是，就事儿论事儿。 应该认为是个用户的习惯和防振。 (29348) Posted by: mirror Date: October 25, 2006 12:53AM 液晶显示首先出现在民用的摄影机上。因为一个是取景的感觉用户不好把握，一个是往往要高举摄像机才能照到拍摄对象。高速的动画摄影，也没有振动的问题。 看静止的图像，人们的感觉就不一样了。镜头的问题、光圈的问题、速度的问题楼下都有议论。职业的习惯也是个重要的因素，因为用单反的都是（自以为）有一定档次的用户。还有贴近相机时胳膊要弯曲，这个姿势手抖影响可以降到最小。 液晶和摄像头的耗电也是需要考虑的因素。这个相机的设计只是不用五角棱镜，但仍然是有取景的小窗。 -------- 就是论事儿，就事儿论是，就事儿论事儿。
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