北京化工大學魏傑教授團隊:“永不褪色”的實時近紅外光響應結構色柔性屏幕

刺激響應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構色。在各種刺激源中,非接觸式的驅動模式,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可控等特點,在遠程驅動器,精準醫療和免疫治療等領域具有潛在的應用前景。然而,大面積快速制備實時響應光子晶體器件是解決光子晶體在實際應用中的關鍵問題。

北京化工大學材料科學與工程學院魏傑教授團隊響應型光子晶體組裝方面取得瞭系列研究進展(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.)基於這些前期研究工作,近日該團隊通過改變丙烯酸酯類水性塗料薄膜親水性,將單分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)乳膠粒子均勻滾塗在熱致變色丙烯酸酯薄膜上(圖1a),並自組裝形成短程有序蛋白石結構光子晶體(圖1b、c),利用乳膠粒子與熱致變色薄膜變色前後黑色素-2結構發生開環反應(圖1d、e),實現瞭近紅外光可控光子晶體薄膜,並成功構建瞭可彎曲的NIR響應的光子晶體標簽和多色光子晶體柔性實時顯示材料。

北京化工大學魏傑教授團隊:“永不褪色”的實時近紅外光響應結構色柔性屏幕
圖1. 溫敏光子晶體薄膜制備過程(a),短程有序蛋白石結構光子晶體微納結構(b、c),黑色素-2升溫前後結構式變化(d)、紅外譜圖(e)。

這種熱敏型光子晶體薄膜由於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合(圖2)。作者通過改變水性溫敏薄膜前驅體中水的含量,進一步提升瞭光子晶體層與溫敏薄膜之間的結合力,提高瞭復合薄膜的耐用性。改性後的溫敏型光子晶體薄膜可以進行任意角度的彎曲,同時展現出極好的柔性(進行10,000次對折測試,薄膜結構色幾乎沒有變化和裂紋)。

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圖2. 溫敏光子晶體薄膜界面處結合機理(a),薄膜親水性改良前後接觸角變化(b、c)。

溫敏薄膜在常溫下為灰黑色,吸收瞭光子晶體薄膜周圍多餘的散射光,有效提高瞭光子帶隙的相對強度(圖3a);當溫度高於臨界溫度時,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,二者由於折射率相近迅速提高瞭薄膜透明度(圖3b、c),結構色在宏觀上發生瞭明顯的變化,可用於信息的隱藏域顯示。

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圖3. 溫敏光子晶體薄膜變色機理(a),薄膜變色前後實物圖(b),升溫前後薄膜透明度(c)。

作者將熱敏光子晶體薄膜與含有二進制編碼的標簽結合(圖4),將帶有二進制編碼的標簽與溫敏光子晶體薄膜進行復合並彎曲粘接在酒瓶瓶口,成功構建瞭可彎曲的近紅外光響應的光子晶體標簽,經過近紅外光的定點照射的區域光子帶隙強度明顯下降,宏觀表現為光子晶體薄膜的透明度提高,從光子晶體反射態轉化為透明態,顯示出二進制碼的信息圖案,實現信息的可逆讀取;照射後的區域在室溫下可持續10s左右,之後恢復至光子晶體反射態。

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圖4. 可彎曲的NIR響應的光子晶體標簽信息讀取機理(a),光子晶體標簽變色前後實物圖(b),用於曲面上的信息記錄(c)。

作者進一步利用溫敏光子晶體薄膜出色的柔性成功構建出可彎曲的NIR響應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,照射區域光子帶隙強度發生明顯的改變,與未照射區域形成肉眼可分辨的區別,實現瞭非接觸式信息的實時寫入與擦除,且表現出極高的柔性和耐用性,器件各項光學性能在彎曲前後穩定性良好(圖5)。

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圖5. 多色溫敏光子晶體薄膜制備過程(a、b),近紅外光在光子晶體薄膜上進行非接觸式的信息記錄與擦除(c、d)。

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塗法快速大面積自組裝,形成短程有序蛋白石光子晶體結構復合薄膜的制備方法。設計原理簡單易行、薄膜柔性顯著提高,對於光子晶體在非接觸式的實時信息寫入與擦除、防偽設計等方面具有啟發作用。

該論文發表在《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博士研究生黃超魏傑教授為通訊作者。該研究工作得到國傢自然科學基金(51873009,51573012)和北京自然科學基金(2192042)資助。

文獻鏈接:

https://doi.org/10.1021/acsami.0c03213

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