理化所等光子晶體驅動材料研究取得新進展

2020-12-06 中國科學院

　　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、防汙、驅動、油水分離等方面的新應用。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在具有超浸潤性光子晶體的製備及應用方面取得系列進展（Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 6833）。研究人員考察了基底浸潤性對乳膠粒的形貌及其分子組裝形式的影響（Adv. Mater. Inter., 2015, 1400365；J. Mater. Chem. C, 2015, 3 ,2445；J. Mater. Chem. C., 2018, 6, 3849）；利用界面特殊的浸潤性調控，實現了具有特殊光功能的花形（Chem. Commun., 2015, 51 ,1367）及麵包形(Chem. Commun., 2016, 52, 3619)的各向異性結構光子晶體製備。製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）；發展了通過電浸潤水刻製備光子晶體圖案的新方法(Adv. Funct. Mater., 2017, 1605221)；製備耐溶劑具有防偽特性的戶外碳點光學塗層(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2018, 10, 6701，Nanoscale, 2018, 10, 4642) 及形狀記憶功能的反蛋白石結構薄膜(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2018, 10, 4243)。

　　驅動材料因能用於智慧機器人、微型生物動態監測等領域而被廣泛關注。自然界中比如小麥、松果等很多植物種子的脫落過程就是受溼度變化誘導不均質的體積變化引起。傳統驅動材料多是將驅動層和支撐層連接在一起，基於驅動層在外界作用下的體積變化引起驅動。但雙層材料驅動器因其雙層結構間粘附力差在多次驅動過程中易分離等問題很難多次重複使用，為解決該問題，單一化學組成梯度型驅動材料應運而生。

　　江雷團隊在具有超浸潤性光子晶體的製備及應用方面取得系列進展。在此前的工作中，該團隊利用所製備的單一材料聚離子液體反蛋白石光子晶體，基於其從表面朝內部的梯度的溶劑去浸潤過程實現了驅動現象，光子晶體膜發生捲曲（Chem. Commun., 2016, 52, 5924）。但所製備的光子晶體驅動性能較差，很難滿足應用需求。隨後通過將液晶單體過度滲透到膠體晶體模板中並隨後進行光聚合，製備了具有連續彎曲/去彎曲行為的溶劑響應驅動器(Soft Matter, 2018, 14, 5547)。

　　近期，理化所光子晶體驅動材料研究又取得新進展，江雷團隊研究員王京霞與湖南師範大學教授陳波合作，通過梯度填充法製備了一種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（圖1），該膜上表面聚集親水的聚離子液體，呈親水性，而下表面富集疏水的聚甲基丙烯酸甲酯，呈疏水性。所製備樣品兩面的不同性能主要是由於光照聚合過程中離子液體和甲基丙烯酸甲酯不同的聚合行為而造成的相分離，導致其化學組成沿薄膜厚度方向的梯度分布。所製備薄膜的Janus 性使之遇水蒸氣後具有明顯的定向彎曲行為，在4s內彎曲角度接近1440o，並伴有亮麗的結構色變化。

　　薄膜的驅動行為可以通過薄膜的化學組成、孔洞大小及溶劑種類來調節。通過COMSOL模擬了樣品的定向驅動性能，並利用單個薄膜（尺寸12mm *3mm* 20 μm）吸水後的驅動行為實現了單根機械軸的運動（圖2）。該研究工作為發展新型光子晶體的光學器件提供了借鑑。

　　相關研究結果以A Hydrophilic/Hydrophobic Janus Inverse-Opal Actuator via Gradient Infiltration 為題發表在ACS Nano（2018, 12,12149-12158）上，並被選為內封面。文章第一作者張大傑為理化所與湖南師範大學聯合培養的碩士研究生，共同第一作者劉捷為理化所碩士研究生。

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圖1. 所製備的Janus 型光子晶體膜及封面圖片

 

圖2. 所製備的Janus 光子晶體膜驅動過程中結構色的變化及驅動過程可以牽引機械軸運動

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