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紹興文理?xiàng)顤|朋/杭師大傅茜茜/國(guó)科大杭高院黃少銘 CEJ：新型熱致變色光子晶體的制備及應(yīng)用研究
2024-08-21  來(lái)源：高分子科技
關(guān)鍵詞：熱致變色 光子晶體

  熱致變色光子晶體（TPCs）可以根據(jù)不同的溫度改變自身的結(jié)構(gòu)色，在傳感、打印、顯示器、防偽、信息加密等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)TPCs存在結(jié)構(gòu)色存儲(chǔ)困難、穩(wěn)定性和顏色可調(diào)性差等問(wèn)題，致使其應(yīng)用范圍受限。


  近日，紹興文理學(xué)院楊東朋博士在近期工作基礎(chǔ)上 (Adv. Sci. 2023, 2302240; Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2310861; Nat. Commun. 2024, 15, 5643), 與杭州師范大學(xué)傅茜茜博士、國(guó)科大杭州高等研究院黃少銘教授合作，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)擠壓、固定非密堆積結(jié)構(gòu)進(jìn)而對(duì)壓力進(jìn)行存儲(chǔ)的新型TPC（PSTPC），有效解決了傳統(tǒng)TPCs存在的問(wèn)題。PSTPCs制備策略如下：


  1）通過(guò)非密堆積組裝技術(shù)，將低體積分?jǐn)?shù)二氧化硅在特定丙烯酸酯中組裝形成大顆粒間距非密堆積有序結(jié)構(gòu)；隨后，利用紫外光固化手段獲得可溶脹和具有良好機(jī)械性能的非密堆積光子晶體（PCs）。


  2）通過(guò)在高熔點(diǎn)（Tm）的聚乙二醇（PEG）中溶脹PCs以獲得PC凝膠（PCGs）。


  3）在T > Tm的條件下擠壓PCGs，隨后在T< Tm冷卻被壓縮的PCGs對(duì)壓力進(jìn)行存儲(chǔ)。


  與傳統(tǒng)的TPCs相比，PSTPCs具有可記錄的結(jié)構(gòu)色，良好的穩(wěn)定性，易調(diào)結(jié)構(gòu)色以及溫度觸發(fā)的應(yīng)力存儲(chǔ)-釋放功能。此外，PSTPCs具有廣泛的應(yīng)用前景，包括熱警告標(biāo)簽、防偽標(biāo)簽、無(wú)油墨可重構(gòu)印刷等。


圖1：PSTPC制備和表征。（a）PSTPC的制造示意圖。（b）PC、PCG和PSTPC各組分的體積分?jǐn)?shù)。（c）PC的表面掃描電鏡圖像。（d） PC、（e） PCG和（f） PSTPC的截面掃描電鏡圖像、顯微鏡圖像、反射光譜和數(shù)碼照片。（g）PSTPC隨時(shí)間變化的反射率。（h）PCG和PSTPC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。


圖2：存儲(chǔ)不同結(jié)構(gòu)色。（a）通過(guò)改變壓力來(lái)記錄結(jié)構(gòu)色的示意圖。（b）記錄了不同壓力下PSTPC的顏色和（c）對(duì)應(yīng)的反射光譜。PC和PCG的（d）曲線(xiàn)、（e） 形變率-波長(zhǎng)曲線(xiàn)、（f）波長(zhǎng)變化范圍和（g）靈敏度。


圖3：熱響應(yīng)原理和性能。（a）加熱后PSTPC的顏色變化示意圖。（b-e）隨時(shí)間加熱的溫度為55℃的PSTPC的顯微鏡圖像、反射光譜和截面掃描電鏡圖像。（d）不同壓力下PCG的λ周期性變化。


圖4：可調(diào)壓力釋放速度。（a-g）在55-90℃加熱條件下的PSTPC的動(dòng)態(tài)反射光譜。（h）PSTPC在不同溫度下的吸熱時(shí)間（t1）、壓力釋放時(shí)間（t2）和總響應(yīng)時(shí)間（t）（j-l）不同分子量的PEG（PEG-1500、PEG-4000和8000）在70℃下制備的PSTPCs的動(dòng)態(tài)反射光譜。（i）同一PSTPC對(duì)不同λ的動(dòng)態(tài)反射光譜，顯示出良好的穩(wěn)定性。


圖5：熱警告標(biāo)簽和溫度傳感。（a）基于PSTPC的熱警告標(biāo)簽的工作機(jī)制示意圖。（b-c）不同溫度下PSTPC的顯微鏡圖像，以及巧克力和面包包裝表面經(jīng)過(guò)55℃的熊狀熱警告標(biāo)簽的數(shù)碼照片，持續(xù)5 min。（c）T與顏色恢復(fù)時(shí)間的關(guān)系。（d-e）用于檢測(cè)（d）熱咖啡的溫度的熊狀熱警告標(biāo)簽的數(shù)碼照片。


圖6：防偽標(biāo)簽。（a）不同狀態(tài)下基于PSTPC的YKTN的示意圖和相應(yīng)的數(shù)碼照片。（b）不同狀態(tài)下基于像素的防偽模式的示意圖和相應(yīng)的數(shù)碼照片。（c-d）具有溫度響應(yīng)的可編程信息解密的防偽模式的示意圖和相應(yīng)的數(shù)字照片。


圖7：可重寫(xiě)紙張。（a）在PSTPC可重寫(xiě)紙上打印可重構(gòu)圖案的原理圖和（b）數(shù)碼照片。


  相關(guān)成果以“Thermochromic structural color based on pressure Storage-Release toward emerging applications”為題在Chemical Engineering Journal上發(fā)表。文章第一作者為碩士生魏伯儒。文章通訊作者為紹興文理學(xué)院楊東朋博士，杭州師范大學(xué)傅茜茜博士，國(guó)科大杭州高等研究院黃少銘教授。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154637

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