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韩国开发出一种光子晶体油墨,混一混就能调色

  琼瑶        2021-08-20 09:21:00

由具有不同折射率的周期性排列的两种不同成分组成的光子晶体(PC),由于对应于光子带隙的光反射产生了可见光范围结构色(SC),因此引起了极大的关注。由于PC的SC能够在外部刺激下被可逆地控制和定位在空间中,因此PC已广泛用于新兴传感器、显示器和模式加密的非易失性和可重写信息存储应用。其中,由自组装嵌段共聚物(BCP)PC产生的SCs是一个极具吸引力的方向,因为在各种刺激下,组成BCP域的微观结构和介电常数都会发生容易和可逆的改变。然而,由于BCP合成方法较困难、效率低下,PC墨水(每一种都在整个可见范围内提供精确并可追踪的SC)很少被报道。


鉴于此,韩国延世大学Cheolmin Park团队提出了一种开发一系列BCP光子晶体墨水的简单而可靠的途径,能够在整个可见光范围内方便地调制SC。主要涉及两种不同分子量的层状BCP的溶液混合。通过控制两种BCP的混合比例,可以开发出具有交替面内层状的1D BCP PC薄膜,其周期性从≈46到≈91nm线性变化。随后用溶剂或非挥发性离子液体优先溶胀一种类型的薄片会导致薄膜的光子带隙红移,在液态和固态时从而产生与两种混合薄膜的原始纳米结构相关的全可见光范围。溶液混合二元溶液的BCP PC调色板可方便地用于各种涂层工艺,允许在目标表面上轻松开发BCP SC。此外,全彩SC绘画是通过透明PC墨水实现的,有助于低功耗模式加密。相关研究成果以题为“Photonic Crystal Palette of Binary Block Copolymer Blends for Full Visible Structural Color Encryption”发表在《Advanced Functional Materials》上。

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文章亮点:


1、两种具有高分子量和低分子量的层状BCP的溶液共混产生了具有交替面内层状的各种1D BCP PC,混合具有不同分子量的两种BCP成功地用混合比控制了混合膜的周期性,其中层状周期性从≈46到≈91 nm作为共混物的函数精确变化比率。连续溶胀和消溶胀循环后最大反射率处的波长很少改变,这证实了该文PC薄膜的可重复性。


2、对二元BCP混合PC的结构和光学性质的系统研究表明,在BCP PC的QP2VP域与EtOH或非挥发性离子液体Li+TFSI-优先溶胀后,成功开发了全可见光范围的SC。


3、该文二元BCP混合解决方案适用于各种基于溶液的薄膜工艺,例如喷涂、棒涂和旋涂,允许在具有不同几何形状和拓扑结构的目标表面上开发均匀的PC薄膜。


4、高效的反射模式模式加密不仅通过该文的二元BCP混合膜的多次堆叠得到证明,而且通过使用二元BCP混合解决方案的调色板进行手绘得到证明。

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图1.混合薄膜面内层状结构及调控

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图2.不同薄膜工艺制备的混合薄膜结构色

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图3.不同混合比例的二元BCP PC油墨的图案加密


复旦大学汪长春教授课题组《Materials Horizons》:用于快速打印结构色智能器件的磁响应光子晶体油墨


光子晶体是一类具有周期性介电常数结构的材料,可以通过改变材料的物理结构和折光性质来调制特定波长光的传播。其中,刺激响应型光子晶体的光子带隙结构可以随着外界刺激(例如蒸气,温度,应力,pH和电磁场)的变化发生改变。通过在可见光波长范围内调制其衍射波长,可以直接观察到颜色改变,在化学传感、生物检测、防伪标示和加密存储等诸多领域中有巨大的应用前景。


由磁性纳米微球(如四氧化三铁纳米簇胶体)作为结构单元的光子晶体因其较高的折射率、简单的组装过程、快速可逆的响应效果,备受人们关注。在已有的报道中,虽然磁性纳米粒子的制备方法被广泛研究,该类型光子晶体只能在液体环境下进行组装,随之而来的流动性和不稳定性给磁响应型光子晶体的实际应用带来很大的限制。因此,研究者们近年来倾向于将磁性光子晶体的规整结构固定在高分子基体中,以期制备固态的结构色器件。然而,被聚合交联后的框架固定的纳米粒子,不再能在外磁场下调整其结构特征,因而丧失了其优异的磁响应变色性质。


近期,复旦大学汪长春教授课题组对磁性光子晶体的器件制备进行了探索,提出了一种简单快捷的策略来制备可供3D打印的磁响应光子晶体复合油墨,优化了磁性纳米粒子分散液在硅橡胶前驱体中的乳化能力,从而将磁响应光子晶体以液滴形式保护在可室温固化的基体中。首次将3D打印技术与光子晶体相结合,通过对连续相的触变性进行调控,获得了易于打印的光子晶体墨水。通过控制光子晶体液滴尺寸大小和外加磁场的强弱,可以灵敏地调控磁响应光子晶体器件的颜色。

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图1.(a、b)磁性纳米粒子的水分散液及其在磁场下的1D磁性链的组装,(c、e、f)磁性纳米粒子分散液的磁响应结构色展示,(d)不同磁场强度下磁性纳米粒子分散液的反射光谱

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图2.(a)磁性光子晶体油墨的制备路线及3D打印二维码和双色蝴蝶图案的示意图,(b)使用两种不同的光子晶体油墨3D打印的蝴蝶图案在不同磁场强度下的循环变色照片,(c)光子晶体油墨及固化后的器件结构色调控的微观原理示意图


这项策略既在最终的固态产品中保持了其灵敏迅速的磁响应变色特性,又摆脱了模具限制的固定形状,能灵活方便地加工出定制的结构色器件。本研究将磁响应型光子晶体从液体形式中解放出来,为光子晶体在光学显示、信息防伪和磁场传感器方向的应用提供了一项有吸引力的解决方案。以上研究工作近期以“Magneto-Sensitive Photonic Crystal Ink for Quick Printing of Smart Device with Structural Colors”为题被《Materials Horizons》接收。复旦大学高分子科学系博士生方怡权为论文第一作者,汪长春教授为论文通讯作者。


该研究工作得到了国家自然科学基金和广东省重点研发项目的资助。


来源:高分子科学前沿,复旦大学高分子科学系

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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