張淑芬教授團隊在光子結(jié)構(gòu)色方面取得系列新進展
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在數(shù)億年的進化中，自然界中的諸多生物演化出了獨特的光子結(jié)構(gòu)色，它們?yōu)樯锏纳婧桶l(fā)展提供了特殊功能。相比于傳統(tǒng)染料，這種光子晶體結(jié)構(gòu)色具有綠色無污染、不褪色、色彩飽和度高、虹彩現(xiàn)象等特點，得到了人們極大地關(guān)注。最近，精細化工國家重點實驗室張淑芬團隊牛文斌教授在光子晶體結(jié)構(gòu)色及其在智能感知應(yīng)用開發(fā)方面取得了系列創(chuàng)新性研究進展。
頭足類生物的皮膚內(nèi)有反射板以周期性排列在一起形成生物光子納米結(jié)構(gòu)，這種超微結(jié)構(gòu)與入射光發(fā)生物理作用，反射特定光波，在視覺上呈現(xiàn)虹彩結(jié)構(gòu)色，在其隱身能力中發(fā)揮了重要作用。這些頭足類海洋生物能夠根據(jù)行為、環(huán)境在幾秒到幾分鐘之內(nèi)改變反射板的折射率和板厚（即晶格間距），控制自身顏色的變換。通過模擬這種結(jié)構(gòu)，牛文斌教授等人開發(fā)出了一種兼具光學和電學雙信號同步輸出的多功能仿生變色離子皮膚（CIskin），實現(xiàn)了包括拉伸、壓力、溫度、紅外光在內(nèi)的四重外部刺激的可視化感知。與目前已報道的仿生電子皮膚相比，該CIskin不僅展現(xiàn)出快速的電學/變色同步響應(yīng)特性，特別是實現(xiàn)了對外部刺激空間分布的可視化，突破了柔性電子學器件難以直接可視化交互的瓶頸，為新興柔性電子學的發(fā)展提供了新思路。研究成果以題為“Cephalopod-Inspired Chromotropic Ionic Skinwith Rapid Visual Sensing Capabilities to Multiple Stimuli”發(fā)表在ACS Nano?(2021, DOI:10.1021/acsnano.1c00181）上。
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將仿生光子晶體結(jié)構(gòu)色與織物結(jié)合，是構(gòu)建可穿戴織物材料、推動結(jié)構(gòu)色材料實用化的有效途徑。因此，團隊利用光子晶體帶隙和氫鍵之間的協(xié)同作用，首先將三維光子晶體結(jié)構(gòu)固定在氫鍵型超分子彈性體中，制備了具有優(yōu)良力致變色特性和機械性能的光子彈性體；而后，利用原子層沉積技術(shù)在多級微結(jié)構(gòu)的滌綸織物纖維表面化學共軸生長一層透明導(dǎo)電的鋁摻雜氧化鋅薄膜，得到了導(dǎo)電滌綸織物；最后，將三維光子晶體結(jié)構(gòu)半嵌入到上述織物結(jié)構(gòu)中，成功構(gòu)造了一種在應(yīng)變施加時具有快速和持久穩(wěn)定的光電雙響應(yīng)的新型電子織物，并展示了它們在可視化可穿戴器件中的應(yīng)用，為基于織物的可視化交互式傳感器的實現(xiàn)開辟了新的道路。相關(guān)成果以“Interactively mechanochromic electronic textile sensor with rapid and durable electrical/optical response for visualized stretchable electronics” 為題，近日發(fā)表在 Chemical Engineering Journa?(2021, DOI:10.1016/j.cej.2021.130870）上。
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光子晶體結(jié)構(gòu)色材料在長期的使用過程中不可避免的會受到外力破壞，這會導(dǎo)致性能降低、甚至功能喪失。針對上述問題，牛文斌教授等人通過設(shè)計合成動態(tài)共價鍵網(wǎng)絡(luò)Vitrimer并引入光子晶體結(jié)構(gòu)中，利用光子晶體帶隙和動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，將三維光子晶體結(jié)構(gòu)固定在Vitrimer網(wǎng)絡(luò)中，從而構(gòu)建出力學性能優(yōu)良的Vitrimer光子彈性體。該光子vitrimer彈性體具有良好的機械顯色性、優(yōu)異的力學性能和自愈能力，并可作為一種可視化的人機交互傳感器件用于跟蹤人體運動。該器件可通過肉眼直接可見的顏色變化，實時感知外界的應(yīng)變和應(yīng)力，實現(xiàn)了使用者與設(shè)備的直接智能交互。相關(guān)成果以“Photonic Vitrimer Elastomer with Self-Healing, High Toughness, Mechanochromism, and Excellent Durability based on Dynamic Covalent Bond”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials（2021, DOI：10.1002/adfm.202009017）上。
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柔性光子晶體纖維在通信、生物醫(yī)學、智能穿戴材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，然而，制備具有適應(yīng)性、多功能、高性能的柔性光子纖維一直是一個巨大的挑戰(zhàn)。牛文斌教授等人通過在透明的聚酯纖維表面共軸生長Al2O3/ZnO一維光子晶體殼層，構(gòu)建了新型的兼具光學和電學功能的形狀記憶光子晶體光纖（SMPF）。該光子晶體光纖有可調(diào)諧的結(jié)構(gòu)顏色、各向異性的光學反射特性和優(yōu)異的機械穩(wěn)定性，特別是，表現(xiàn)出了獨特的形狀記憶能力。這在以前的光子晶體光纖中很難實現(xiàn)。得益于光子帶隙和形狀記憶能力，這些SMPF能夠應(yīng)用于光波導(dǎo)，引導(dǎo)光束沿著特定通道進入生物組織深層，用于深部組織成像和光療等。此外，氧化鋅材料的光電、熱釋電效應(yīng)，使其可以用作形狀記憶溫度傳感器件，用于實時動態(tài)監(jiān)測口呼吸、鼻呼吸和紅外光。該工作為構(gòu)建柔性多功能光子纖維提供了一個通用平臺，并在生物組織深部的光動力治療、可穿戴電子器件和智能機器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以Flexible Multifunctional Photonic Crystal Fibers with Shape Memory?Capability for Optical Waveguides and Electrical Sensors為題，近日發(fā)表在Industrial?&?Engineering Chemistry Research?(2021, https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01153）上。
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碳纖維是一種導(dǎo)電導(dǎo)熱、輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等的戰(zhàn)略性新材料，然而其片狀石墨微晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致表面化學惰性和高結(jié)晶度，傳統(tǒng)有機分子染料根本無法對其著色，只能呈現(xiàn)黑色。牛文斌教授等先通過等離子表面活化，進而原子層沉積共軸化學生長一層均勻氧化鋅，利用薄膜干涉原理，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，賦予了碳纖維亮麗顏色；通過調(diào)節(jié)薄膜厚度，獲得了一系列連續(xù)可控的彩色碳纖維。在上述基礎(chǔ)上，進一步利用氧化鋅固有的熱釋電、壓電等特性，將其與柔性導(dǎo)電薄膜ITO/PET結(jié)合，設(shè)計構(gòu)建了一種新型彩色碳纖維的單根纖維微傳感器件。該微傳感器可以對外界UV、溫度和紅外光進行檢測，并具有高柔性、彩色、多功能、小型化的特點，可進一步與其他器件或電路集成，極大的拓展了上述彩色碳纖維材料的應(yīng)用范圍。相關(guān)成果以Highly Flexible, Multicolored, and Multifunctional Single-Fiber-Based Microsensors for UV, Temperature, and Infrared Detection為題，近日發(fā)表在Industrial?&?Engineering Chemistry Research?(2021, DOI:10.1021/acs.iecr.1c02166）上。
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上述論文的第一作者為分別為博士生王云朋、趙凱，以及碩士生操先飛、程潔，通訊作者為團隊牛文斌教授。工作得到了國家自然科學基金（22078048）、大連市創(chuàng)新研究計劃(2019RQ142,2019RD06)項目的支持。
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