刺激響應(yīng)型光子晶體能夠在外場激勵如溫度、電場、磁場pH、溶劑和藥物等作用下改變光子晶體晶格間距進而改變結(jié)構(gòu)色。在各種刺激源中，非接觸式的驅(qū)動模式，尤其是近紅外光照，在照射過程中具有穿透性強以及熱量可調(diào)可控等特點，在遠(yuǎn)程驅(qū)動器，精準(zhǔn)醫(yī)療和免疫治療等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。然而，大面積快速制備實時響應(yīng)光子晶體器件是解決光子晶體在實際應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。
北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院魏杰教授團隊在響應(yīng)型光子晶體組裝方面取得了系列研究進展（Sens. Actuators, B, 2018, 273: 1705-1712; Part.Part. Syst. Charact. 2019, 1900238; Nanotechnology,2019, 30(50): 505706; Dyes and Pigments,2018, 148: 108-117; Macromol. Rapid Commun.2018, 39(20): 1800134.）基于這些前期研究工作，近日該團隊通過改變丙烯酸酯類水性涂料薄膜親水性，將單分散聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸）乳膠粒子均勻滾涂在熱致變色丙烯酸酯薄膜上（圖1a），并自組裝形成短程有序蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體（圖1b、c），利用乳膠粒子與熱致變色薄膜變色前后黑色素-2結(jié)構(gòu)發(fā)生開環(huán)反應(yīng)（圖1d、e），實現(xiàn)了近紅外光可控光子晶體薄膜，并成功構(gòu)建了可彎曲的NIR響應(yīng)的光子晶體標(biāo)簽和多色光子晶體柔性實時顯示材料。
這種熱敏型光子晶體薄膜由于乳膠粒子外層含有大量的羧基，和水性溫敏薄膜可以有效結(jié)合（圖2）。作者通過改變水性溫敏薄膜前驅(qū)體中水的含量，進一步提升了光子晶體層與溫敏薄膜之間的結(jié)合力，提高了復(fù)合薄膜的耐用性。改性后的溫敏型光子晶體薄膜可以進行任意角度的彎曲，同時展現(xiàn)出極好的柔性（進行10,000次對折測試，薄膜結(jié)構(gòu)色幾乎沒有變化和裂紋）。
溫敏薄膜在常溫下為灰黑色，吸收了光子晶體薄膜周圍多余的散射光，有效提高了光子帶隙的相對強度（圖3a）；當(dāng)溫度高于臨界溫度時，溫敏薄膜由灰黑色迅速變成半透明的乳白色，與乳膠粒子本體顏色相同，二者由于折射率相近迅速提高了薄膜透明度（圖3b、c），結(jié)構(gòu)色在宏觀上發(fā)生了明顯的變化，可用于信息的隱藏域顯示。
作者將熱敏光子晶體薄膜與含有二進制編碼的標(biāo)簽結(jié)合（圖4），將帶有二進制編碼的標(biāo)簽與溫敏光子晶體薄膜進行復(fù)合并彎曲粘接在酒瓶瓶口，成功構(gòu)建了可彎曲的近紅外光響應(yīng)的光子晶體標(biāo)簽，經(jīng)過近紅外光的定點照射的區(qū)域光子帶隙強度明顯下降，宏觀表現(xiàn)為光子晶體薄膜的透明度提高，從光子晶體反射態(tài)轉(zhuǎn)化為透明態(tài)，顯示出二進制碼的信息圖案，實現(xiàn)信息的可逆讀??；照射后的區(qū)域在室溫下可持續(xù)10s左右，之后恢復(fù)至光子晶體反射態(tài)。
作者進一步利用溫敏光子晶體薄膜出色的柔性成功構(gòu)建出可彎曲的NIR響應(yīng)多色光子晶體柔性實時顯示材料。通過980 nm近紅外光的定點照射，照射區(qū)域光子帶隙強度發(fā)生明顯的改變，與未照射區(qū)域形成肉眼可分辨的區(qū)別，實現(xiàn)了非接觸式信息的實時寫入與擦除，且表現(xiàn)出極高的柔性和耐用性，器件各項光學(xué)性能在彎曲前后穩(wěn)定性良好（圖5）。
綜上，該研究提出將溫敏型變色薄膜與單分散乳膠粒子通過滾涂法快速大面積自組裝，形成短程有序蛋白石光子晶體結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜的制備方法。設(shè)計原理簡單易行、薄膜柔性顯著提高，對于光子晶體在非接觸式的實時信息寫入與擦除、防偽設(shè)計等方面具有啟發(fā)作用。
該論文發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》，題為”Controllable Structural Colored Screen forReal-time Display via Near-Infrared Light”，論文第一作者為北京化工大學(xué)博士研究生黃超，魏杰教授為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金（51873009，51573012）和北京自然科學(xué)基金（2192042）資助。
文獻鏈接：
