大連理工大學(xué)-基于聚合物的一維光子晶體研究進展

光子晶體是一類介電常數(shù)在空間上呈周期性分布的具有光子禁帶的材料。當(dāng)光子禁帶落于可見光范圍內(nèi)（380～760nm）會展現(xiàn)出肉眼可見的顏色，被稱為結(jié)構(gòu)色。自然界中蝴蝶翅膀、孔雀羽毛等生物組織因為具有天然光子晶體結(jié)構(gòu)才展現(xiàn)出絢麗的色彩。光子晶體結(jié)構(gòu)色具有高亮度、高飽和度、不易褪色等特點，在傳感、防偽識別、功能纖維等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，是近年來科研領(lǐng)域的熱點和前沿科學(xué)。根據(jù)光子帶隙在空間上的分布不同，可將光子晶體分為一維、二維、三維光子晶體。其中，一維光子晶體是最簡單的光子晶體，具有制備簡便、顏色亮度易調(diào)節(jié)的特性，近年來有大量相關(guān)制備及性能研究報道。而將一維光子晶體與具有功能性的聚合物相結(jié)合更是光子晶體研究的熱點。本論文《基于聚合物的一維光子晶體研究進展》較系統(tǒng)地總結(jié)了近年來基于聚合物的一維光子晶體結(jié)構(gòu)生色材料研究進展。論文從一維光子晶體組裝材料角度出發(fā)，總結(jié)分析了有機/有機型和有機/無機雜化型一維光子晶體的結(jié)構(gòu)特點、組裝原理、方法、性能及應(yīng)用?；诰酆衔锊牧现苽涞囊痪S光子晶體可以實現(xiàn)多種功能，在柔性傳感器、柔性光電器件、光子晶體紙、電子皮膚、3D打印等方面具有良好的應(yīng)用前景。摘要：從一維光子晶體組裝材料角度出發(fā)，總結(jié)分析了基于聚合物的有機/有機型和有機/無機雜化型一維光子晶體的結(jié)構(gòu)特點、組裝原理和方法、性能及應(yīng)用。在有機/有機型一維光子晶體中，主要介紹了含有不同親疏水鏈段的嵌段共聚物和含有可聚合雙鍵的表面活性劑自組裝形成的一維光子晶體。在有機/無機雜化型一維光子晶體中，既論述了基于聚合物、無機材料直接交替組裝形成的多層膜，也討論了基于兩種無機材料組裝，然后再填充柔性聚合物的一維光子晶體。通過對以上兩類光子晶體材料的總結(jié)分析可知，基于聚合物材料制備的一維光子晶體可以實現(xiàn)多種功能，在柔性傳感器、柔性光電器件、光子晶體紙、電子皮膚、3D打印等方面具有良好的應(yīng)用前景。但目前基于聚合物的一維光子晶體存在組裝均勻性有待提高、組裝面積較小等問題，如何大規(guī)模制備均勻的功能性一維光子晶體是重要的研究方向，也是影響其實際應(yīng)用的關(guān)鍵。結(jié)論與展望一維光子晶體由于結(jié)構(gòu)簡單、組裝物質(zhì)豐富、性能優(yōu)異、組裝方法多樣簡便，因此是一類理想的功能性光子晶體材料。本文基于含有聚合物的一維光子晶體進行論述，從組裝材料角度分類，分析總結(jié)了這類一維光子晶體的組裝、特性及應(yīng)用。在單純使用聚合物的有機/有機型一維光子晶體研究中，主要探討了兩種特定結(jié)構(gòu)的聚合物，即含有不同親疏水鏈節(jié)的二嵌段共聚物和基于表面活性劑的聚合物的結(jié)構(gòu)特點，組裝一維光子晶體的原理，及在各種可視化傳感、光子晶體紙、構(gòu)筑3D打印彩色立體圖案等方面的研究進展。而有機/有機型一維光子晶體由于折射率差較小，通常要借助溶劑溶脹等方法，調(diào)節(jié)光子禁帶，實現(xiàn)其功能化應(yīng)用。相比而言，基于聚合物和無機材料的有機/無機雜化型一維光子晶體更利于構(gòu)筑反射率高、性能穩(wěn)定的膜材料，而且選材廣泛，制備方法較簡便。文中總結(jié)了多種此類功能材料，包括ZrO2/滑環(huán)彈性體納米復(fù)合材料、PpMS-ZrO2/PNIPAM、MOF/TiO2、P(MMA-BA)/TiO2、PANI/聚（N-異丙基丙烯酰胺-氧化石墨烯-丙烯酸），聚碳酸酯和PDMS分別填充的TiO2/SiO2等用于制備有機/無機雜化一維光子晶體的研究進展，這類材料在應(yīng)力、溫度、有機蒸氣傳感、柔性超級電容器、紫外防護、太陽能電池等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用價值。另外，通過組裝材料的改變，引入其他功能聚合物，構(gòu)筑具有新型功能性的一維光子晶體材料，拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，將是此類材料的研究方向；此外，由于某些基于聚合物材料構(gòu)筑的一維光子晶體具有靚麗的顏色和柔韌性，因此,可以設(shè)計將其用于紡織纖維等柔性基材的著色，作為傳統(tǒng)紡織染料、顏料的替代品，實現(xiàn)更加安全、環(huán)保、穩(wěn)定的著色，這也是一維光子晶體的重要研究方向。目前研究的基于聚合物的一維光子晶體薄膜多以小面積組裝為主，而且組裝均勻性有待提高，如何大規(guī)模制備均勻的功能性一維光子晶體是需要解決的問題，其有效實施將為這類一維光子晶體材料的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。圖文導(dǎo)讀一維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖光子凝膠膜受壓變形示意圖(a)；當(dāng)壓力改變時光子凝膠膜變形區(qū)域顏色變化(b)溫度升高時PS-b-P2VP反射光變化示意圖(a)；PS-b-P2VP在不同溫度下的數(shù)碼照片和反射光譜圖(b)施加電壓時，一維光子晶體結(jié)構(gòu)變化示意圖(a)；不同電壓下，光子晶體顏色變化的數(shù)碼照片(b)拉伸時一維光子晶體顏色變化的數(shù)碼照片(a)；反射光譜的變化(b)PDGI/PAAm水凝膠自組裝示意圖不同拉伸狀態(tài)下PDGI/PAAm2凝膠顏色變化的光學(xué)照片(a)；不同拉伸狀態(tài)下的反射光譜(b)1DPC在壓力增大時的反射光譜(a)；當(dāng)拉伸應(yīng)變由0增大至42%時，1DPC顏色的變化(b)升高溫度時光子晶體顏色變化的數(shù)碼照片(a)；ZrO2引入前后反射光譜的對比(b)柔性超級電容器