绍兴文理杨东朋/杭师大傅茜茜/国科大杭高院黄少铭 CEJ：新型热致变色光子晶体的制备及应用研究

2024-08-21 来源：高分子科技

热致变色光子晶体（TPCs）可以根据不同的温度改变自身的结构色，在传感、打印、显示器、防伪、信息加密等方面具有广泛的应用前景。然而，传统TPCs存在结构色存储困难、稳定性和颜色可调性差等问题，致使其应用范围受限。

近日，绍兴文理学院杨东朋博士在近期工作基础上 (Adv. Sci. 2023, 2302240; Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2310861; Nat. Commun. 2024, 15, 5643), 与杭州师范大学傅茜茜博士、国科大杭州高等研究院黄少铭教授合作，设计开发了一种通过挤压、固定非密堆积结构进而对压力进行存储的新型TPC（PSTPC），有效解决了传统TPCs存在的问题。PSTPCs制备策略如下：

1）通过非密堆积组装技术，将低体积分数二氧化硅在特定丙烯酸酯中组装形成大颗粒间距非密堆积有序结构；随后，利用紫外光固化手段获得可溶胀和具有良好机械性能的非密堆积光子晶体（PCs）。

2）通过在高熔点（T_m）的聚乙二醇（PEG）中溶胀PCs以获得PC凝胶（PCGs）。

3）在T > T_m的条件下挤压PCGs，随后在T< T_m冷却被压缩的PCGs对压力进行存储。

与传统的TPCs相比，PSTPCs具有可记录的结构色，良好的稳定性，易调结构色以及温度触发的应力存储-释放功能。此外，PSTPCs具有广泛的应用前景，包括热警告标签、防伪标签、无油墨可重构印刷等。

图1：PSTPC制备和表征。（a）PSTPC的制造示意图。（b）PC、PCG和PSTPC各组分的体积分数。（c）PC的表面扫描电镜图像。（d） PC、（e） PCG和（f） PSTPC的截面扫描电镜图像、显微镜图像、反射光谱和数码照片。（g）PSTPC随时间变化的反射率。（h）PCG和PSTPC的拉伸应力-应变曲线。

图2：存储不同结构色。（a）通过改变压力来记录结构色的示意图。（b）记录了不同压力下PSTPC的颜色和（c）对应的反射光谱。PC和PCG的（d）曲线、（e）形变率-波长曲线、（f）波长变化范围和（g）灵敏度。

图3：热响应原理和性能。（a）加热后PSTPC的颜色变化示意图。（b-e）随时间加热的温度为55℃的PSTPC的显微镜图像、反射光谱和截面扫描电镜图像。（d）不同压力下PCG的λ周期性变化。

图4：可调压力释放速度。（a-g）在55-90℃加热条件下的PSTPC的动态反射光谱。（h）PSTPC在不同温度下的吸热时间（t₁）、压力释放时间（t₂）和总响应时间（t）（j-l）不同分子量的PEG（PEG-1500、PEG-4000和8000）在70℃下制备的PSTPCs的动态反射光谱。（i）同一PSTPC对不同λ的动态反射光谱，显示出良好的稳定性。

图5：热警告标签和温度传感。（a）基于PSTPC的热警告标签的工作机制示意图。（b-c）不同温度下PSTPC的显微镜图像，以及巧克力和面包包装表面经过55℃的熊状热警告标签的数码照片，持续5 min。（c）T与颜色恢复时间的关系。（d-e）用于检测（d）热咖啡的温度的熊状热警告标签的数码照片。

图6：防伪标签。（a）不同状态下基于PSTPC的YKTN的示意图和相应的数码照片。（b）不同状态下基于像素的防伪模式的示意图和相应的数码照片。（c-d）具有温度响应的可编程信息解密的防伪模式的示意图和相应的数字照片。

图7：可重写纸张。（a）在PSTPC可重写纸上打印可重构图案的原理图和（b）数码照片。

相关成果以“Thermochromic structural color based on pressure Storage-Release toward emerging applications”为题在Chemical Engineering Journal上发表。文章第一作者为硕士生魏伯儒。文章通讯作者为绍兴文理学院杨东朋博士，杭州师范大学傅茜茜博士，国科大杭州高等研究院黄少铭教授。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154637

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（责任编辑：xu）

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