实时响应型光子晶体微球阵列的制备与外场调控
光子晶体是一种由两种以上介电常数不同的物质在空间上周期性排列的微纳结构，能强烈反射特定波长的光，具有鲜艳的结构色。刺激响应型光子晶体能够在外场激励如温度、电场、磁场、pH、溶剂和药物等作用下改变光子晶体晶格间距进而改变结构色。近年来对外界环境具有响应特征的光子晶体被广泛研究，使其在光子芯片、色度传感器、显示材料、仿生器件、生物医疗等领域有广泛的应用。具有蛋白石结构和反蛋白石结构的光子晶体可通过对刺激响应材料结构的变化设计出多重响应的光学器件，实现对外界刺激源的探测，在诸多领域开始引起关注。目前，研究较多围绕在平面型的光子晶体及其响应行为的调控，针对三维立体及柔性光子晶体的实时响应行为研究较少。因此，本文从光子晶体的结构设计出发，通过多种刺激响应材料复合成蛋白石和反蛋白石结构光子晶体体系，并对其调控机制和实时响应行为进行了探究。主要内容包括: 1.构建了特异响应型反蛋白石结构光子晶体水凝胶微球，通过改良的STOBER法水解制备粒径高度均一的SiO2纳米粒子，搭建微流道平台组装蛋白石结构SiO2光子晶体微球模板。通过分子印迹水凝胶和蛋白石光子晶体微球模板结合，利用低温紫外聚合的方式尽可能完整的保留反蛋白石光子晶体结构，在刻蚀SiO2纳米粒子和洗脱印记分子后，得到具有特异性识别的反蛋白石结构光子晶体印记分子水凝胶微球，微球在印记分子存在的环境下引起分子印迹水凝胶内部渗透压升高膨胀，导致光子晶体晶格参数变化，光子带隙发生了明显的可重复性红移。系统研究了反蛋白石光子晶体水凝胶微球的尺寸效应，通过改变水凝胶微球尺寸调节检测灵敏度与检测范围，提出便携特异性色度检测概念，实现了通过反蛋白石光子晶体水凝胶微球对MPA快速、便携检测。 2.通过一步法构建了Janus磁响应蛋白石结构光子晶体微球，在自组装体系中引入PDMS，将单分散乳胶粒子的自组装、磁性纳米粒子的分层沉降和PDMS的固化同步完成。Janus磁响应蛋白石结构光子晶体微球的光子晶体面具有长程有序面心立方堆积结构，微球具有鲜艳的结构色，由于双面磁性纳米粒子含量的巨大差异，对磁场方向的变化非常灵敏，可以与变化的磁场保持一致的频率。同时将单色与多色的Janus磁响应蛋白石结构光子晶体微球与带有凹槽的模板结合设计构建成一种对磁场变化实时响应的显示器件，微球在填充硅油的凹槽模板中能够随着磁场方向的变化，实时改变其方向，实现信息的多重编码、图形的表达与隐藏，在光子晶体实时磁响应显示、信息记录等方面有着潜在的应用。 3.通过滚涂法快速构建了大尺寸、形状可控的温敏型短程有序的蛋白石结构光子晶体薄膜，宏观具有明显的结构色，随着环境温度的升高，温敏变色薄膜颜色由灰黑色变为半透明的乳白色与光子晶体层的乳胶粒子形成类似透明的介质，薄膜整体呈现透明状态，反射光强度明显减小。通过向温敏变色薄膜前驱体中添加适量的去离子水，发现可以显著改善温敏蛋白石结构光子晶体薄膜的柔性和力学性能。基于改性温敏型蛋白石结构光子晶体薄膜出色的柔性，构建了可任意弯曲的近红外光实时响应型光子晶体防伪标签和多色蛋白石结构光子晶体柔性显示薄膜。通过980nm近红外光进行定点照射，照射区域由于温度迅速升高，从反射态转化为透明态，通过裸眼可以清晰识别光子晶体标签隐藏的二进制编码信息和光子晶体柔性薄膜上近红外光写出的信息;随着近红外光源的撤除，可以通过降低光子晶体复合薄膜表面温度，达到实时隐藏二进制编码信息和可逆擦除多色光子晶体薄膜上记录的信息功能。
光子晶体;微球阵列;制备工艺;力学性能
北京化工大学
博士
材料科学与工程
魏杰
2020
中文
TB342
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）