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华中科技大学化学与化工学院朱锦涛、张连斌团队在光子晶体弹性体材料领域取得进展
发布时间:2018/12/25 09:38:33    作者:   来源:    点击率:

光子晶体是指由不同介电材料周期性排列而产生的光子带隙结构,具有调控光传播的作用。当可见光通过光子晶体时,特定频率的光会受到光子带隙的调制,导致部分可见光不能通过该材料直接被反射,从而使光子晶体产生特定的结构色。结构色在自然界中广泛存在,例如蛋白石、孔雀的羽毛、蝴蝶或甲虫的翅膀等都具有周期性排列的光子晶体结构从而展现出鲜艳的结构色。

将光子晶体与聚合物弹性体结合可得到光子晶体弹性体,可用于可视化的力学传感器等领域。然而,如何提高光子晶体弹性体材料的使用性能,同时又避免不同观测角度带来的色彩不一致的问题仍然是该领域的一大挑战。针对上述问题,华中科技大学化学与化工学院朱锦涛、张连斌团队设计制备了一种基于金属超分子聚合物的可自愈合、具有无角度依赖结构色的光子晶体弹性体材料,克服了光子晶体材料机械损伤以及不同观测角度色彩不一致的局限。相关成果近期发表在《先进材料Advanced Materials)杂志上(文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805496)。该论文的通讯作者是朱锦涛教授和张连斌教授,论文第一作者为博士后谭海英。

作者利用聚二甲基硅氧烷与稀土金属离子形成的超分子聚合物作为基体材料,将其与单分散的二氧化硅纳米粒子复合,通过喷涂或快速溶剂挥发的方法诱导二氧化硅纳米粒子在超分子聚合物中自组装形成具有短程有序结构的光子晶体材料,该材料展现出鲜艳的结构色。改变纳米粒子尺寸或纳米粒子在聚合物中的含量可调控其结构色彩。该材料还表现出无角度依赖的结构色,即从不同的角度观察其颜色不发生变化(如图1所示)。更重要的是,该光子晶体弹性体还表现出类似于变色龙皮肤的变色性能,在拉伸或压缩等外力作用下其结构色可发生改变(图2),外力释放后该材料又能恢复到之前的结构色,因此可用于可视化应力传感领域。同时,超分子聚合物的动态配位键赋予了光子晶体弹性体材料自愈合性能,可实现对表面划痕以及裂痕的自发修复(图3),自愈合后材料的力学性能得以恢复,保证了光子晶体弹性体材料的使用性能。该研究不仅提供了一种新的光学材料构筑方法,还为光子晶体在光学涂层、智能穿戴、防伪材料、可视化传感等领域的应用提供了新思路。

以上研究工作得到了国家杰出青年科学基金(51525302)和华中科技大学学术前沿青年团队项目的支持。

1 基于超分子聚合物的光子晶体弹性体及其无角度依赖的结构色彩。

2. 光子晶体弹性体的力学性能以及应力响应变色能力。

3. 光子晶体弹性体的自愈合性能。


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