華中科技大學化學與化工學院朱錦濤、張連斌團隊在光子晶體彈性體材料領(lǐng)域取得進展
光子晶體是指由不同介電材料周期性排列而產(chǎn)生的光子帶隙結(jié)構(gòu)，具有調(diào)控光傳播的作用。當可見光通過光子晶體時，特定頻率的光會受到光子帶隙的調(diào)制，導致部分可見光不能通過該材料直接被反射，從而使光子晶體產(chǎn)生特定的結(jié)構(gòu)色。結(jié)構(gòu)色在自然界中廣泛存在，例如蛋白石、孔雀的羽毛、蝴蝶或甲蟲的翅膀等都具有周期性排列的光子晶體結(jié)構(gòu)從而展現(xiàn)出鮮艷的結(jié)構(gòu)色。
將光子晶體與聚合物彈性體結(jié)合可得到光子晶體彈性體，可用于可視化的力學傳感器等領(lǐng)域。然而，如何提高光子晶體彈性體材料的使用性能，同時又避免不同觀測角度帶來的色彩不一致的問題仍然是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。針對上述問題，華中科技大學化學與化工學院朱錦濤、張連斌團隊設計制備了一種基于金屬超分子聚合物的可自愈合、具有無角度依賴結(jié)構(gòu)色的光子晶體彈性體材料，克服了光子晶體材料機械損傷以及不同觀測角度色彩不一致的局限。相關(guān)成果近期發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）雜志上（文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805496）。該論文的通訊作者是朱錦濤教授和張連斌教授，論文第一作者為博士后譚海英。
作者利用聚二甲基硅氧烷與稀土金屬離子形成的超分子聚合物作為基體材料，將其與單分散的二氧化硅納米粒子復合，通過噴涂或快速溶劑揮發(fā)的方法誘導二氧化硅納米粒子在超分子聚合物中自組裝形成具有短程有序結(jié)構(gòu)的光子晶體材料，該材料展現(xiàn)出鮮艷的結(jié)構(gòu)色。改變納米粒子尺寸或納米粒子在聚合物中的含量可調(diào)控其結(jié)構(gòu)色彩。該材料還表現(xiàn)出無角度依賴的結(jié)構(gòu)色，即從不同的角度觀察其顏色不發(fā)生變化（如圖1所示）。更重要的是，該光子晶體彈性體還表現(xiàn)出類似于變色龍皮膚的變色性能，在拉伸或壓縮等外力作用下其結(jié)構(gòu)色可發(fā)生改變（圖2），外力釋放后該材料又能恢復到之前的結(jié)構(gòu)色，因此可用于可視化應力傳感領(lǐng)域。同時，超分子聚合物的動態(tài)配位鍵賦予了光子晶體彈性體材料自愈合性能，可實現(xiàn)對表面劃痕以及裂痕的自發(fā)修復（圖3），自愈合后材料的力學性能得以恢復，保證了光子晶體彈性體材料的使用性能。該研究不僅提供了一種新的光學材料構(gòu)筑方法，還為光子晶體在光學涂層、智能穿戴、防偽材料、可視化傳感等領(lǐng)域的應用提供了新思路。
以上研究工作得到了國家杰出青年科學基金(51525302)和華中科技大學學術(shù)前沿青年團隊項目的支持。
圖 1 基于超分子聚合物的光子晶體彈性體及其無角度依賴的結(jié)構(gòu)色彩。
圖 2. 光子晶體彈性體的力學性能以及應力響應變色能力。
圖 3. 光子晶體彈性體的自愈合性能。
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