响应型光子晶体是一类具有有序微纳结构和可调谐光子带隙的智能光学材料,可以在不同的外部刺激下实现动态的结构颜色变化。根据Bragg-Snell方程,响应型光子晶体的结构颜色主要由有序微观结构的有效折射率和晶格常数决定。因此,通过设计响应单元和调控微纳结构,响应型光子晶体材料能够将力、热、电、磁等多种外部刺激转换为光学响应信号。这种独特的动态变色性能使响应型光子晶体在比色传感器、可穿戴设备、防伪、软执行器和机器人等领域具有广泛的应用前景。
其中,溶剂响应型光子晶体可以将溶剂分子的化学信号转化为直观的视觉信号,便于进一步的信息处理,实现对溶剂分子的定性定量分析。溶剂响应型光子晶体的初步研究旨在利用不同溶剂填充的蛋白石或反蛋白石光子晶体材料的折射率变化来区分和识别特定溶剂。然而,大多数溶剂的折射率变化范围很小(非溶剂:1.3~1.6),依赖折射率变化产生的颜色变化范围较窄。因此,进一步的研究工作主要集中于将溶剂响应聚合物凝胶加入响应型光子晶体中,以识别具有相似折射率的溶剂。除了定性地鉴定单组分溶液,利用溶剂响应型光子晶体实现在完全混溶的双/多组分溶液(如水和乙醇)中定量分析具有更重要的研究意义。尽管已有很多研究工作发展了一系列能够在宽范围浓度范围内监测水/乙醇混合物组分的溶剂响应型光子晶体,但其在水-乙醇混合物中超过共沸点的浓度范围(乙醇> 95%)的灵敏度较差,限制了其应用前景。
图1. 刷状光子凝胶的结构示意图及其在乙醇/水共溶作用下响应变色机理
图2. 刷状光子凝胶的构筑及其基础响应性能
图3. 刷状光子凝胶对富乙醇体系中微量水含量的响应性能
图4. 刷状光子凝胶的高灵敏共溶响应变色机理分析
图5. 刷状光子凝胶的应用
这项工作不仅提出了引入刷状凝胶构筑高性能溶剂响应型光子晶体的新方法,实现了富乙醇浓度范围内响应速度和响应灵敏度的显著提高,而且在结论部分进一步展望了刷状聚合凝胶与光子晶体相结合构筑光子凝胶的更多可能性,为设计合成新型结构色智能材料提供新思路。
原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202414136
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