一種基于電介質(zhì)失效抑制原理的非水基電潤(rùn)濕液體透鏡_abio生物試劑品牌網(wǎng)
液體透鏡作為一種新型的自適應(yīng)光學(xué)元件，近年來(lái)在成像技術(shù)領(lǐng)域引發(fā)了廣泛關(guān)注。相比傳統(tǒng)光學(xué)透鏡，液體透鏡具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)焦距的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)大景深、廣視角、高速響應(yīng)和高質(zhì)量成像。然而，隨著液體透鏡在3D顯示、生物醫(yī)學(xué)成像、精密測(cè)量等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展，其技術(shù)瓶頸也逐漸顯現(xiàn)。尤其是大口徑液體透鏡在高電壓驅(qū)動(dòng)下容易發(fā)生電介質(zhì)失效，導(dǎo)致透鏡性能下降甚至損壞。這一問(wèn)題嚴(yán)重限制了液體透鏡在高端光學(xué)成像系統(tǒng)中的應(yīng)用。
近日，北京航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于電介質(zhì)失效抑制原理的非水基電潤(rùn)濕液體透鏡。這項(xiàng)研究不僅揭示了電介質(zhì)失效的物理化學(xué)機(jī)制，還通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)電液體配方，成功開(kāi)發(fā)出一種厘米級(jí)大口徑液體透鏡，解決了大口徑液體透鏡在高電壓下的可靠性問(wèn)題。
研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
液體透鏡的核心優(yōu)勢(shì)在于其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，這種能力主要依賴(lài)于電潤(rùn)濕效應(yīng)。電潤(rùn)濕效應(yīng)通過(guò)改變液體與固體表面的接觸角來(lái)調(diào)節(jié)液體的曲率，從而實(shí)現(xiàn)焦距的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。液體透鏡因其小型化、低功耗、快速響應(yīng)和大變焦范圍等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、3D顯示、3D重建等領(lǐng)域。
現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸
然而，隨著液體透鏡口徑的增大，電介質(zhì)層和疏水層的面積顯著增加，導(dǎo)致三相接觸線延長(zhǎng)，液體的化學(xué)穩(wěn)定性要求更高。傳統(tǒng)水基導(dǎo)電液體在高電壓下容易發(fā)生電解反應(yīng)，產(chǎn)生氣泡和局部損壞，進(jìn)一步加劇了電介質(zhì)失效的風(fēng)險(xiǎn)。這種失效現(xiàn)象不僅影響透鏡的光學(xué)性能，還可能導(dǎo)致透鏡完全損壞，嚴(yán)重限制了液體透鏡在高端光學(xué)成像系統(tǒng)中的應(yīng)用。
研究團(tuán)隊(duì)指出，現(xiàn)有研究多集中于水基溶液，但水基溶液在高電壓下的電化學(xué)反應(yīng)不可避免，這使得液體透鏡的可靠性難以提升。為了突破這一瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)從物理化學(xué)的角度出發(fā)，分析了電解質(zhì)溶液的傳輸特性和電化學(xué)反應(yīng)速率，提出了一種通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)電液體成分來(lái)抑制電介質(zhì)失效的理論方法。
技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
電介質(zhì)失效的物理化學(xué)機(jī)制
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論分析，揭示了電介質(zhì)失效的物理化學(xué)機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，電介質(zhì)失效的主要原因是導(dǎo)電液體在高電壓下與電極接觸后發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。這種反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致液體分解，產(chǎn)生氣泡和局部損壞，從而破壞透鏡的光學(xué)性能。
抑制介電失效的導(dǎo)電液體的制備原理
非水基導(dǎo)電液體的設(shè)計(jì)思路為了抑制這種失效現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于非水基導(dǎo)電液體的設(shè)計(jì)思路。他們開(kāi)發(fā)了一系列名為“EGG系列”的非水基導(dǎo)電液體。這些液體以丙三醇（TMG）和乙二醇（EG）為溶劑，四丁基氯化銨（TBAC）為溶質(zhì)。通過(guò)調(diào)整EG的濃度，研究團(tuán)隊(duì)成功優(yōu)化了液體的導(dǎo)電性、表面張力、密度和折射率等物理特性。
EGG系列液體的參數(shù)
厘米級(jí)大口徑液體透鏡的制造基于這種導(dǎo)電液體，研究團(tuán)隊(duì)制造了一種口徑為10毫米的液體透鏡。這種透鏡在200伏高電壓下仍能穩(wěn)定運(yùn)行，未出現(xiàn)電介質(zhì)失效現(xiàn)象。透鏡的光學(xué)功率變化能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的焦距調(diào)節(jié)，同時(shí)保持高質(zhì)量的成像效果。
常規(guī)電潤(rùn)濕裝置的示意圖和電潤(rùn)濕接觸角測(cè)量的結(jié)果
成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
變焦相機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了驗(yàn)證EGG系列液體透鏡的性能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，液體透鏡被應(yīng)用于一個(gè)變焦相機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)改變施加電壓，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同距離物體的聚焦。
基于介電失效抑制原理的厘米級(jí)大口徑非水電潤(rùn)濕透鏡的概念圖和樣品
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能分析
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，EGG-60液體透鏡在0伏至70伏的電壓范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)278毫米的變焦范圍，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)水基液體透鏡。此外，EGG系列液體透鏡在高電壓下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和成像性能，能夠滿(mǎn)足3D顯示和生物醫(yī)學(xué)成像的需求。
全息3D顯示系統(tǒng)的應(yīng)用
團(tuán)隊(duì)還將EGG-60液體透鏡應(yīng)用于全息3D顯示系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，與商業(yè)化的3.9毫米口徑液體透鏡相比，EGG-60液體透鏡能夠顯著減少雜散光的產(chǎn)生，并提供更高的圖像質(zhì)量和更豐富的細(xì)節(jié)。例如，在重建“花”和“鹿”的3D圖像時(shí)，EGG-60透鏡能夠清晰地再現(xiàn)物體的邊緣和細(xì)節(jié)，而商業(yè)化透鏡則無(wú)法完整重建這些細(xì)節(jié)。
應(yīng)用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
總結(jié)與展望
這項(xiàng)研究通過(guò)揭示電介質(zhì)失效的物理化學(xué)機(jī)制，提出了一種基于非水基導(dǎo)電液體的解決方案，成功開(kāi)發(fā)出一種厘米級(jí)大口徑液體透鏡。這種透鏡在高電壓下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和成像性能，為液體透鏡在3D顯示、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。隨著材料科學(xué)和制造工藝的進(jìn)步，液體透鏡的技術(shù)性能有望進(jìn)一步提升。例如，通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)電液體的配方，可以進(jìn)一步提高透鏡的響應(yīng)速度和耐久性；通過(guò)改進(jìn)電介質(zhì)層和疏水層的制備工藝，可以降低透鏡的制造成本并提高其可靠性。
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Zhao YR, Li ZS, Zheng Y, Wang D, Lu XK, Lin YC, Zhang HR, Liu C, Wang QH. Non-aqueous electrowetting liquid lens with centimeter-level large aperture based on dielectric fAIlure suppression principle. Light Sci Appl. 2025 Mar 12;14(1):120.
DOI:10.1038/s41377-025-01777-2.
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