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響應(yīng)性光子晶體因其能夠?qū)ν獠看碳ぎa(chǎn)生可調(diào)的光學(xué)性能而得到了深入的研究，其中水響應(yīng)光子晶體因其無(wú)污染、環(huán)保的特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。根據(jù)布拉格定律，高折射率比是獲得結(jié)構(gòu)色不可或缺的條件。然而，液體滲透取代蛋白石內(nèi)部縫隙或者反蛋白結(jié)構(gòu)孔內(nèi)的空氣會(huì)造成蛋白石或反蛋白石與填充材料的折射率相近，據(jù)此制備的水響應(yīng)型光子晶體遇水響應(yīng)時(shí)，光子禁帶（PBG）減弱而使顏色亮度大幅降低。還有報(bào)導(dǎo)通過(guò)水凝膠基質(zhì)的溶脹行為，調(diào)整光子晶體周期性晶格常數(shù)，或使用軟結(jié)構(gòu)膠體粒子作為構(gòu)建模塊改變折射率比，構(gòu)建了水響應(yīng)光子晶體，但其響應(yīng)速度較慢，同時(shí)水凝膠材料需要保持其中的水分以維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，構(gòu)建新型雙反蛋白光子晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)液體填充時(shí)，使反蛋白石內(nèi)部隨機(jī)分布的聚苯乙烯微球受液體浮力作用而均勻分布，實(shí)現(xiàn)快速水響應(yīng)以滿足實(shí)際應(yīng)用是非常必要的。?

最近，大連理工大學(xué)精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張淑芬教授團(tuán)隊(duì)在《Chemical Engineering Journal》上發(fā)表了題為“Fast Water-Response Double-Inverse Opal Films with?Brilliant Structural Color”的文章，首次制備出響應(yīng)時(shí)間快、顏色亮麗的新型水響應(yīng)雙反蛋白（WRDIO）膜。這種快速水響應(yīng)和易于使用具有亮麗結(jié)構(gòu)色的薄膜材料在用戶交互式防偽和傳感器領(lǐng)域顯示出潛在的應(yīng)用前景。

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圖?1.?氫鍵誘導(dǎo)潤(rùn)濕性改變的雙反蛋白光子晶體膜的原理和功能示意圖

它的原理是，受蓮蓬啟發(fā)，將聚苯乙烯（PS）微球引入到反蛋白骨架中，制備了粒子嵌套的雙反蛋白結(jié)構(gòu)。水響應(yīng)過(guò)程是通過(guò)誘導(dǎo)反蛋白骨架孔內(nèi)的PS球在水環(huán)境中從隨機(jī)分布到受液體浮力作用而均勻分布，從而消除了散射干擾，產(chǎn)生了亮麗的結(jié)構(gòu)色。

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圖?2.?氫鍵誘導(dǎo)潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變的表征

反蛋白骨架主鏈中碳酸鈉處理后羧基的去質(zhì)子化有效抑制了聚合物鏈之間氫鍵的形成，同時(shí)暴露的羧基陰離子導(dǎo)致親水性，這有利于水快速滲透進(jìn)反蛋白骨架的孔內(nèi)。

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圖?3.?非溶脹水響應(yīng)雙反蛋白膜用于信息安全

利用區(qū)域浸潤(rùn)性差異，制備了具有高度不可見圖案，通過(guò)水刺激響應(yīng)快速解密的雙反蛋白膜。

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圖?4.?滲透壓驅(qū)動(dòng)溶脹的水響應(yīng)雙反蛋白膜用于傳感檢測(cè)

聚合物中羧基陰離子的含量會(huì)影響到光學(xué)性能，高比例羧基陰離子引起的滲透壓升高會(huì)使制備的雙反蛋白膜快速被水溶脹，而乙醇則不能使其溶脹。寬范圍的光譜移動(dòng)(≈92 nm）取決于乙醇-水混合物的組成，在富含乙醇的體系中尤其靈敏。

相關(guān)成果近日發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，DOI：10.1016/j.cej.2021.131213。論文的通訊作者為大連理工大學(xué)張淑芬教授，第一作者為化工學(xué)院博士生周常通。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721027947