近日，東華大學化學化工生物工程學院魯希華教授課題組首次實現利用溫度觸發的溶膠-凝膠化轉變過程將溫敏性納米水凝膠光子晶體固定化，相關結果以《利用原位熱致溶膠-凝膠化過程實現溫敏性凝膠光子晶體固定化》（In-situ Formed Thermogelable Hydrogel Photonic Crystals Assembled by Thermosensitive IPN Nanogels）為題發表於《材料視野》（Materials Horizons），並被選為封面文章。魯希華教授、李雪婷博士為共同通訊作者，博士生李曉曉為第一作者，東華大學為第一單位。
具有溫度響應性的基於聚N-異丙基丙烯醯胺（PNIPAm-based）的「軟球」凝膠光子晶體（CPCs），在相變溫度以上，由於顆粒急劇收縮，導致結構色以及晶體結構的消失。目前，常規解決方法是凝膠固定化，即將凝膠光子晶體通過不可逆的共價鍵「嵌入」另一個水凝膠基質中。該方法製備過程複雜、低效且耗時。因此，開發一種有效的方法來固定脆弱的基於聚N-異丙基丙烯醯胺的凝膠光子晶體具有挑戰性和重大意義。
除了自組裝為凝膠光子晶體，當溫度升至其相變溫度以上時，由於聚N-異丙基丙烯醯胺疏水基團之間的物理交聯作用，基於聚N-異丙基丙烯醯胺納米水凝膠可發生溶膠-凝膠化轉變。當溫度降至其相變溫度以下時，納米水凝膠呈現可流動的液體狀態；當溫度高於相變溫度時，納米水凝膠瞬時變為不可流動的宏觀水凝膠狀態，且這個相態轉變過程是可逆的。
針對上述基於聚N-異丙基丙烯醯胺納米水凝膠的特點，課題組首次提出了在保持凝膠光子晶體有序結構前提下，利用溫度觸發的溶膠-凝膠化轉變將基於聚N-異丙基丙烯醯胺納米水凝膠光子晶體固定化。
PNIPAm/PAA IPN納米水凝膠的製備及其光子晶體固定化過程
研究團隊首先製備了聚N-異丙基丙烯醯胺納米水凝膠，以該納米水凝膠為母液，引入丙烯酸（AA）單體，並引發原位聚合，製備了具有互穿網絡（IPN）結構的聚N-異丙基丙烯醯胺/聚丙烯酸（PNIPAm/PAA）納米水凝膠。待該納米水凝膠自組裝為凝膠光子晶體後，將溫度升至相變溫度以上，通過聚N-異丙基丙烯醯胺疏水基團之間的物理交聯作用使具有互穿網絡結構的納米水凝膠發生原位溶膠-凝膠化轉變。由於聚丙烯酸網絡抑制了聚N-異丙基丙烯醯胺網絡的收縮，因此，具有互穿網絡結構的凝膠光子晶體在相變溫度以上仍具有高度有序結構，且實現了晶體結構在溶膠-凝膠化過程中被固定。
此外，該研究團隊還探討了固定化具有互穿網絡結構的凝膠光子晶體的條件，及凝膠光子晶體的濃度對凝膠化溫度的影響。該研究的意義在於提供了一種實現凝膠光子晶體結構固定化的新方法，這將是「軟球」凝膠光子晶體領域的一個重要研究進展。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委等項目的資助。
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https://doi.org/10.1039/D0MH01886D