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  結(jié)構(gòu)色是指光波發(fā)生折射、反射、衍射或干涉后而產(chǎn)生的各種顏色。與色素色相比，結(jié)構(gòu)色的成色過(guò)程不依賴(lài)于任何染料分子，同時(shí)也不涉及光子能量的吸收與激發(fā)。其具有顯色持久，顏色純度高，環(huán)�？沙掷m(xù)等特點(diǎn)。近年來(lái)，各種刺激響應(yīng)性人工結(jié)構(gòu)色材料層出不窮，并成功應(yīng)用于傳感檢測(cè)、節(jié)能顯示和防偽加密等領(lǐng)域。這些人工材料中的結(jié)構(gòu)色通常由光刻、膠體自組裝和嵌段共聚物相分離等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是價(jià)格昂貴的光刻機(jī)和多步繁瑣的組裝過(guò)程并不適合人工結(jié)構(gòu)色材料的大規(guī)模制備，嚴(yán)重阻礙了其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。除此之外，與機(jī)械力、溫度和蒸汽等傳統(tǒng)刺激源相比，可見(jiàn)光作為一種清潔能源，其時(shí)間可控性和空間指向性更強(qiáng)，對(duì)材料的破壞能力更弱，因此更適合作為一種新型刺激源來(lái)調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)色變化過(guò)程。

  近日，清華大學(xué)許華平教授課題組通過(guò)向非晶型形狀記憶聚合物網(wǎng)絡(luò)中引入可見(jiàn)光響應(yīng)的二硒動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，成功制備出具有可見(jiàn)光響應(yīng)性的結(jié)構(gòu)色材料。該材料的結(jié)構(gòu)色來(lái)源于材料在取向狀態(tài)下的雙折射過(guò)程。在偏振場(chǎng)下，尋常光和非尋常光的干涉波長(zhǎng)與材料的取向程度有關(guān)，即與材料內(nèi)應(yīng)力的大小有關(guān)。通過(guò)在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T_g）以上進(jìn)行拉伸，之后冷卻至室溫來(lái)對(duì)材料進(jìn)行取向并固定材料中的內(nèi)應(yīng)力，賦予材料一種背景結(jié)構(gòu)色。然后利用掩模板在材料表面的特定位置施加可見(jiàn)光輻照，在有輻照的區(qū)域二硒鍵會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)共價(jià)交換反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)材料的可控應(yīng)力松弛。形狀記憶聚合物中的應(yīng)力松弛能夠在維持材料表面平整度不變的情況下，改變材料中特定位置的取向狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色圖案化過(guò)程。

圖1材料的形狀記憶和可見(jiàn)光觸發(fā)應(yīng)力松弛性能的表征

圖2 材料的透射波長(zhǎng)與內(nèi)應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

  由于二硒動(dòng)態(tài)交換反應(yīng)的反應(yīng)速率與輻照波長(zhǎng)相關(guān)，因此通過(guò)施加不同波長(zhǎng)、相同時(shí)間的可見(jiàn)光輻照，可以在材料中形成一系列不同取向狀態(tài)的微區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)彩色結(jié)構(gòu)色圖案。除此之外，通過(guò)對(duì)材料中不同區(qū)域施加同一波長(zhǎng)、不同時(shí)間的可見(jiàn)光輻照，同樣也可以實(shí)現(xiàn)彩色圖案化過(guò)程。該輻照過(guò)程可以通過(guò)一臺(tái)商業(yè)化的投影儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)軟件進(jìn)行編程可以使得照射過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，無(wú)需人為干預(yù)，因此該圖案化過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單并且不受空間地域的限制。由于圖案的顏色與材料的內(nèi)應(yīng)力大小直接相關(guān)，因此材料中的圖案一旦形成之后還可以進(jìn)行光擦除，并經(jīng)過(guò)重新拉伸之后可以再次實(shí)現(xiàn)圖案化過(guò)程。

圖3 利用掩模板對(duì)材料進(jìn)行圖案化以及圖案的光照擦除過(guò)程

圖4 利用二硒鍵的波長(zhǎng)響應(yīng)性對(duì)材料進(jìn)行彩色圖案化

  該方法所需材料易于制備，圖案化方法簡(jiǎn)單可控，圖案化材料可循環(huán)利用。其在防偽加密、節(jié)能顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面具有很大的應(yīng)用前景。

  該成果近期發(fā)表在Advanced Materials上，清華大學(xué)博士研究生劉誠(chéng)為文章的第一作者，許華平教授為通訊作者。

  原文標(biāo)題：Tunable structural color patterns based on the visible-light-responsive dynamic diselenide metathesis

  原文作者：Cheng Liu, Zhiyuan Fan, Yizheng Tan, Fuqiang Fan and Huaping Xu*

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201907569