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中科院理化所王京霞研究員:仿生光子晶體圖案綜述
2019-12-10  來源:高分子科技

  生物光子晶體圖案為生物的生存提供了獨特的功能,例如靜態識別、求偶和動態感知預警效應。蝴蝶翅膀上的各種紋理和彩色圖案可用于識別類別,類似于該生物的“身份證”。孔雀尾羽的類眼睛花紋具有求偶交配功能。除靜態識別功能外,許多生物光子晶體還具有動態感測功能,比如變色龍當遇到外部刺激時,它們的體表圖案產生相應的變化以適應自然環境。在求偶,競爭和環境變化等情況下,這些生物表現出獨特的圖案變化來引起注意或隱藏自己,表明自身受驚或喜悅的情緒。章魚提供了更為特殊的例子,當外界環境變化時,其身體發生明顯的特殊的卷曲變化,同時其顏色也發生很大的變化。自然界神奇的變臉鳥在扭動脖子觀察環境變化時,其頭部羽毛的顏色發生從黑綠,黑紅相間到大紅色等明顯變化。在自然界中,除了規則有序具有角度依賴特性的虹彩結構色外,還存在許多從短程有序長程無序結構派生出來的非虹彩結構色,例如:斑喉傘鳥的藍色羽毛,長角甲蟲的鞘翅和藍色鼻翼的山猴。受這些特殊功能和現象的啟發,研究人員基于靜態識別、動態檢測、致動防御警戒和組裝結構復制四個方面,利用球形和非球形粒子制備了各種各樣的仿生光子晶體圖案,并在傳感、顯示、信息安全、形狀記憶及其他領域得到了廣泛發展,引起了巨大的研究興趣。

  近日,中科院理化技術研究所仿生實驗室江雷院士團隊王京霞研究員就仿生光子晶體圖案研究進展發表綜述文章,系統總結了自然界光子晶體圖案的神奇功能演化及仿生圖案化光子晶體包括制備策略,功能演變和應用研究的新進展。

  首先,介紹了光子晶體圖案的制備策略,包括模板誘導的組裝和不帶模板的直寫。模板誘導組裝指圖案是基于模板限域誘導作用形成的,包括一般的模板誘導組裝和“三明治”組裝。直寫指圖案在沒有模板誘導的情況下直接寫入,包括噴墨打印、滴涂和噴涂等手段。

圖1. 自然界和實驗室制備的光子晶體圖案

  其次,光子晶體圖案的功能性經歷了從非響應性到響應性圖案的演變。非響應性光子晶體圖案是通過組裝非活性材料獲得的,對外界刺激無反應。響應性圖案源自將響應性材料引入到光子晶體圖案中,并根據應用需求經歷了可逆圖案變化、圖案固定及圖案程序化的寫入和擦除,特別是基于非球形粒子嵌段聚合物的具有應變適應性剛度的光晶圖案。

圖2.自然界光子晶體的圖案識別,動態傳感,活性預防警戒功能

  最后,總結了圖案化光子晶體在傳感、顯示、信息安全和形狀記憶等領域的最新應用。圖案化光子晶體不僅具有光晶的結構色,還呈現出更加生動和獨特的表達方式,可以設計特定的圖案以識別目標應用環境。已擴展到具有高靈敏度和快速響應的傳感設備,不僅具有傳統傳感裝置光學信號的變化,新發展的驅動器型傳感器,其形狀和結構色會伴隨外部刺激而變化;具有外場調節的光晶顯示器經歷了電場、磁性、液晶顯示以及基于非虹彩結構色的廣角顯示;防偽標簽,信息隱藏和信息存儲加密體系;具有光學雙穩性,構建可重寫或可重復使用的形狀記憶智能系統。

圖3. 超浸潤性光子晶體圖案的制備及應用

  盡管近年來光子晶體圖案的制備和應用得到了很大發展,但光子晶體圖案的開發仍然存在許多挑戰,在材料改進方面還有很大的余地。這篇綜述為基于圖案化光子晶體的新型功能材料的構建提供了重要的基礎。

  相關研究結果以 “Bio-inspired Photonic Crystal Pattern”發表在Mater. Horiz. 2019, DOI: 10.1039/C9MH01389J。該文章的第一作者武萍萍為理化所博士研究生。在此感謝國家自然基金的資助。

  論文鏈接:https://doi.org/10.1039/C9MH01389J

  延伸閱讀:光子晶體超浸潤性賦予具有獨特光學調控性能的光子晶體材料在傳感、檢測、防偽、顯示、驅動等方面的新應用(Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 6833)。理化所仿生材料與界面科學重點實驗室的江雷院士團隊王京霞研究員在具有超浸潤性光子晶體的制備及應用方面取得系列重要進展。他們結合特殊基底浸潤性和水滴模板,制備了花瓣狀,面包狀光子晶體(Adv. Mater. Interf, 2015, 2, 1400365; Chem. Comm., 2015, 51, 1367; 2016, 3619; J. Mater. Chem. C. 2015, 3 ,2445; 2018, 6,3849)利用超親水基材及超疏水模板形成的三明治限域作用,制備得到具有良好光波導行為的光子晶體微陣列(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2016, 8, 4985)。利用金屬-有機反蛋白石結構在電浸潤情況下的獨特的形貌演變,發展為水刻制備光子晶體圖案的新方法(Adv. Funct. Mater., 2017, 27,1605221)。結合溶劑誘導效應與電化學調制,在PEDOT光子晶體上實現可逆的水寫/電擦多色光晶圖案(Adv. Funct. Mater. 2019, 29 1808473)。并進一步利用PVDF制備溫度誘導的形狀記憶功能的反蛋白石結構薄膜(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2018, 10, 4243)。通過利用硅烷化碳點的特殊化學組成及閉孔反蛋白石結合引起的親油不浸潤性能,制備耐溶劑的戶外光學涂層(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2018, 10, 6701)及防偽圖案(Nanoscale, 2018, 10, 4642)。利用藍相液晶光子晶體制備大面積高質量光子晶體圖案(J. Mater. Chem. C., 2019, 7, 9460; 7, 13764) 通過梯度填充法制備的Janus 型聚(離子液體-甲基丙烯酸甲酯)共聚物反蛋白石光子晶體膜具有定向彎曲驅動行為(Chem. Commun. 2016, 52, 5924; ACS Nano, 2018, 12, 12149-12158),及采用液晶彈性體制備液晶驅動材料(J. Mater. Chem. C., 2019, 7, 3413; Soft Matt. 2018, 14, 5547)

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