理化所發表仿生光子晶體圖案綜述文章

2020-11-25 中國科學院

理化所發表仿生光子晶體圖案綜述文章

2019-12-20 理化技術研究所

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　　花鳥蟲魚等自然界生物光子晶體的特定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等。像蝴蝶翅膀上的各種紋理和彩色圖案可用於識別類別，類似於該生物的「身份證」；孔雀尾羽的類眼睛花紋具有求偶交配功能，這些都是靜態識別功能的體現。此外，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捲曲變化，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，研究人員基於靜態識別、動態檢測、致動防禦警戒和組裝結構複製四個方面，利用球形和非球形（包括嵌段聚合物相分離、液晶分子組裝結構等）結構單元製備了各種各樣的仿生光子晶體圖案，並在傳感、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，中國科學院理化技術研究所仿生材料與界面科學重點實驗室江雷團隊的研究員王京霞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在製備策略、功能演變和應用研究方面的新進展。文章首先介紹了光子晶體圖案的製備策略，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於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，包括噴墨列印、滴塗和噴塗等手段。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，並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，特別是基於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。最後，文章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，現已擴展到具有高靈敏度和快速響應的傳感設備。新發展的驅動器型傳感器不僅具有傳統傳感裝置光學信號的變化，其形狀和結構色還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、液晶顯示以及基於非虹彩結構色的廣角顯示；具有呈現/隱藏切換特性的光晶圖案可用於防偽標籤、信息隱藏和信息存儲加密體系；具有光學雙穩性，構建可重寫或可重複使用的形狀記憶智能系統。儘管近年來光子晶體圖案的製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，在設計新型材料製備功能圖案光子晶體方面還有很大的發展空間。這篇綜述為基於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 為題發表在Mater. Horiz. 上。該文章的第一作者武萍萍為理化所博士研究生。中科院院士江雷在文章撰寫過程中給予了很大指導和幫助。該項研究受到國家自然基金(51873221)的資助。

　　論文連結

自然界和實驗室製備的光子晶體圖案

自然界光子晶體的圖案識別、動態傳感、活性預防警戒功能

超浸潤性光子晶體圖案的製備及應用


　　花鳥蟲魚等自然界生物光子晶體的特定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等。像蝴蝶翅膀上的各種紋理和彩色圖案可用於識別類別，類似於該生物的「身份證」；孔雀尾羽的類眼睛花紋具有求偶交配功能，這些都是靜態識別功能的體現。此外，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捲曲變化，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，研究人員基於靜態識別、動態檢測、致動防禦警戒和組裝結構複製四個方面，利用球形和非球形（包括嵌段聚合物相分離、液晶分子組裝結構等）結構單元製備了各種各樣的仿生光子晶體圖案，並在傳感、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，中國科學院理化技術研究所仿生材料與界面科學重點實驗室江雷團隊的研究員王京霞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在製備策略、功能演變和應用研究方面的新進展。文章首先介紹了光子晶體圖案的製備策略，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於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，包括噴墨列印、滴塗和噴塗等手段。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，並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，特別是基於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。最後，文章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，現已擴展到具有高靈敏度和快速響應的傳感設備。新發展的驅動器型傳感器不僅具有傳統傳感裝置光學信號的變化，其形狀和結構色還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、液晶顯示以及基於非虹彩結構色的廣角顯示；具有呈現/隱藏切換特性的光晶圖案可用於防偽標籤、信息隱藏和信息存儲加密體系；具有光學雙穩性，構建可重寫或可重複使用的形狀記憶智能系統。儘管近年來光子晶體圖案的製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，在設計新型材料製備功能圖案光子晶體方面還有很大的發展空間。這篇綜述為基於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 為題發表在Mater. Horiz. 上。該文章的第一作者武萍萍為理化所博士研究生。中科院院士江雷在文章撰寫過程中給予了很大指導和幫助。該項研究受到國家自然基金(51873221)的資助。
　　論文連結
　　自然界和實驗室製備的光子晶體圖案
　　自然界光子晶體的圖案識別、動態傳感、活性預防警戒功能
　　超浸潤性光子晶體圖案的製備及應用
　　

列印 責任編輯：葉瑞優

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