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紹興文理楊東朋/杭師大傅茜茜/國科大杭高院黃少銘 CEJ：新型熱致變色光子晶體的制備及應用研究

2024-08-21 來源：高分子科技

熱致變色光子晶體（TPCs）可以根據不同的溫度改變自身的結構色，在傳感、打印、顯示器、防偽、信息加密等方面具有廣泛的應用前景。然而，傳統TPCs存在結構色存儲困難、穩定性和顏色可調性差等問題，致使其應用范圍受限。

近日，紹興文理學院楊東朋博士在近期工作基礎上 (Adv. Sci. 2023, 2302240; Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2310861; Nat. Commun. 2024, 15, 5643), 與杭州師范大學傅茜茜博士、國科大杭州高等研究院黃少銘教授合作，設計開發了一種通過擠壓、固定非密堆積結構進而對壓力進行存儲的新型TPC（PSTPC），有效解決了傳統TPCs存在的問題。PSTPCs制備策略如下：

1）通過非密堆積組裝技術，將低體積分數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構；隨后，利用紫外光固化手段獲得可溶脹和具有良好機械性能的非密堆積光子晶體（PCs）。

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

3）在T > T_m的條件下擠壓PCGs，隨后在T< T_m冷卻被壓縮的PCGs對壓力進行存儲。

與傳統的TPCs相比，PSTPCs具有可記錄的結構色，良好的穩定性，易調結構色以及溫度觸發的應力存儲-釋放功能。此外，PSTPCs具有廣泛的應用前景，包括熱警告標簽、防偽標簽、無油墨可重構印刷等。

圖1：PSTPC制備和表征。（a）PSTPC的制造示意圖。（b）PC、PCG和PSTPC各組分的體積分數。（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、反射光譜和數碼照片。（g）PSTPC隨時間變化的反射率。（h）PCG和PSTPC的拉伸應力-應變曲線。

圖2：存儲不同結構色。（a）通過改變壓力來記錄結構色的示意圖。（b）記錄了不同壓力下PSTPC的顏色和（c）對應的反射光譜。PC和PCG的（d）曲線、（e）形變率-波長曲線、（f）波長變化范圍和（g）靈敏度。

圖3：熱響應原理和性能。（a）加熱后PSTPC的顏色變化示意圖。（b-e）隨時間加熱的溫度為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：可調壓力釋放速度。（a-g）在55-90℃加熱條件下的PSTPC的動態反射光譜。（h）PSTPC在不同溫度下的吸熱時間（t₁）、壓力釋放時間（t₂）和總響應時間（t）（j-l）不同分子量的PEG（PEG-1500、PEG-4000和8000）在70℃下制備的PSTPCs的動態反射光譜。（i）同一PSTPC對不同λ的動態反射光譜，顯示出良好的穩定性。

圖5：熱警告標簽和溫度傳感。（a）基于PSTPC的熱警告標簽的工作機制示意圖。（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過55℃的熊狀熱警告標簽的數碼照片，持續5 min。（c）T與顏色恢復時間的關系。（d-e）用于檢測（d）熱咖啡的溫度的熊狀熱警告標簽的數碼照片。

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

圖7：可重寫紙張。（a）在PSTPC可重寫紙上打印可重構圖案的原理圖和（b）數碼照片。

相關成果以“Thermochromic structural color based on pressure Storage-Release toward emerging applications”為題在Chemical Engineering Journal上發表。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院楊東朋博士，杭州師范大學傅茜茜博士，國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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（責任編輯：xu）

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