2021-09-16
 
大连理工大学武素丽教授《ACS Nano》:具有高灵敏度的热致/力致双变色性能的人工变色龙皮肤
2021年09月16日   阅读量:121

变色龙因其独特的动态伪装特性而广为人知,它能在外界刺激下通过虹膜细胞的收缩和拉伸,快速灵敏地调节皮肤的颜色。研究发现在变色龙的皮肤中,由鸟嘌呤纳米晶体和细胞液构成的非紧密堆积结构光子晶体结构是其实现其动态伪装的关键因素。受此启发,科学家模仿这种结构开发了大量的人工光子晶体力致变色材料中国化工网okmart.com。但是,在人工光子晶体中实现与变色龙皮肤中鸟嘌呤纳米晶体与细胞液相近的高折射率差和非紧密堆积结构具有很大的挑战,这也导致目前的人工力致变色材料的颜色饱和度和变色灵敏度与真实变色龙皮肤相比还有很大差距。


鉴于此,大连理工大学武素丽教授报道了一种由ZnS微球和响应型聚合物构筑的非紧密堆积光子晶体结构,其中ZnS微球和响应型聚合物的折射率分别匹配了鸟嘌呤纳米晶体和细胞液的折射率。基于整体结构较高的有效折射率和两种构筑材料间较大的折射率对比,这种光子晶体薄膜表现了亮丽的结构色和高灵敏度的热致/力致双响应变色能力。相关工作以“Artificial Chameleon Skin with Super-Sensitive Thermal and Mechanochromic Response”为题发表在国际顶级期刊《ACS Nano》上。

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传统的非紧密堆积结构的制备通常需要借助微球间的静电斥力或在微球表面形成溶剂层等方式来实现,但当以硫化锌微球为构筑单元时上述方式并不适用。为构筑基于ZnS微球的非紧密堆积结构,研究者在本文中提出了“two-step filling strategy”的制备方式。这种方式借用ZnS@SiO2微球构筑的密堆积有序结构为“过渡态”,在SiO2壳层被HF刻蚀后再次填充聚合物,固化结束便可形成由ZnS微球和聚合物构筑的非紧密堆积光子晶体结构。由于ZnS微球(多晶结构,实际折射率约为1.9)和聚合物(折射率在1.3-1.5之间)之间具有明显的折射率对比,因而,所制备的光子晶体结构表现出亮丽的结构色。

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图1. 利用“two-step filling strategy” 制备由ZnS微球和响应型聚合物构筑的非紧密堆积光子晶体结构

此外,基于“two-step filling strategy”的制备方式的另一个显著优点是可以精确控制非紧密堆积结构中的微球间距。如图2所示,作为过渡态的由ZnS@SiO2微球构筑的密堆积有序结构中SiO2壳层的厚度决定了最终制备的非紧密堆积结构中的微球间距的控制。因此,控制微球间距的关键步骤就变成了控制ZnS@SiO2的合成中包覆的SiO2壳层的厚度。

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图2. 非紧密堆积结构中微球间距的调控

进一步,研究者制备了以由硫化锌微球和聚(N-异丙基丙烯酰胺)构筑的非紧密堆积光子晶体结构。基于结构整体较高的有效折射率,聚(N-异丙基丙烯酰胺)的热致/力致形变特性和灵活可调的微球间距,这种非紧密堆积光子晶体结构表现出了高灵敏的热致/力致变色的双响应性能。当环境温度从30oC升温至55oC时,或在外界压力发生~20%的横向形变时,反射峰会发生大于200 nm的蓝移,同时其结构色的变化范围亦覆盖了整个可见光区。如此灵敏的性质使其在柔性膜平整度检测等多种领域具有极大的应用前景。

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图3. 非紧密堆积结构的热致变色性能

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图4. 非紧密堆积结构的力致变色性能

小结:作者利用所提出的“two-step filling strategy”制备方式,成功构筑了基于硫化锌微球和响应型聚合物的非紧密堆积光子晶体结构。此类结构具有与变色龙皮肤中的微观结构相近的折射率对比和非紧密堆积构型,因而表现出同样的亮丽结构色和颜色动态可调的特性。当选用聚(N-异丙基丙烯酰胺)作为填充的响应型聚合物时,所制备的非紧密堆积光子晶体结构更是同时表现出高灵敏的热致变色和力致变色性能。这项工作提出了一个新的非紧密堆积结构的制备方式,将有望推动光子晶体结构在传感响应等领域的进一步发展。


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