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  光子晶體材料以其絢麗的結(jié)構(gòu)色以及多響應(yīng)性能在功能性材料領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。將刺激響應(yīng)物質(zhì)與光子晶體結(jié)合，利用其獨(dú)特的光學(xué)性能，構(gòu)建具有多重響應(yīng)光子晶體材料，可在防偽材料、顯示材料和傳感器等方面具有應(yīng)用前景。

  北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院魏杰教授團(tuán)隊(duì)在響應(yīng)型光子晶體及信息編碼方面取得了系列研究進(jìn)展（Chemical Engineering Journal, 2024, 480, 148185；J Colloid Interface Sci 2021, 592, 249-258; ACS Applied Material Interfaces 2020, 12 (18), 20867-20873; ACS Applied Nano Materials 2023, 6(16), 14702-14709；ACS Applied Polymer Materials, 2023, 5, 1, 1002-1013；Langmuir 2022, 38(46), 14387?14399）。基于前期研究工作，近日該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種具有三波段光響應(yīng)的光子晶體材料（TRPCs），通過UVC、UVA和NIR三波段光照調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了信息的動(dòng)態(tài)寫入、多級(jí)編碼及高安全性防偽應(yīng)用。該研究結(jié)合核殼結(jié)構(gòu)納米粒子（CISNPs）的改性設(shè)計(jì)與光響應(yīng)分子的光子間隙填充，突破了傳統(tǒng)光子晶體功能單一的局限，為信息存儲(chǔ)與顯示技術(shù)提供了全新解決方案。

圖1.三波段光響應(yīng)光子晶體的構(gòu)建及響應(yīng)原理

  該研究團(tuán)隊(duì)采用半連續(xù)乳液聚合法，制備出具有獨(dú)特核-中間層-殼結(jié)構(gòu)的PS-PMMA/SMC納米粒子（如圖1）。通過將光響應(yīng)分子SMC接枝到納米粒子表面，再配合熒光胺和乙二炔分子的引入，使材料能夠?qū)Σ煌ǘ蔚墓饩�產(chǎn)生精準(zhǔn)響應(yīng)。并且這種材料可以通過簡單的噴涂工藝實(shí)現(xiàn)大面積制備，大大提升了實(shí)用價(jià)值。在性能表現(xiàn)上，這種光子晶體材料展現(xiàn)出了"光控變色"的神奇特性。在UVC光照射下，材料會(huì)顯示出藍(lán)色圖案；當(dāng)改用NIR光照射時(shí)，藍(lán)色會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色；而在UVA光照射下，材料還能同時(shí)激發(fā)出藍(lán)色和紅色的熒光。由于光產(chǎn)胺分子的分解以及乙二炔的聚合都是不可逆的，因此光子晶體三波段光響應(yīng)TRPCs不具備重復(fù)性。圖2和圖3展示了三波段光響應(yīng)光子晶體TRPCs的響應(yīng)行為，通過不同的光照對(duì)光子晶體顏色以及其蘊(yùn)含的信息進(jìn)行調(diào)控從而實(shí)現(xiàn)多級(jí)響應(yīng)模式。

圖2. 改性納米粒子引起的光子晶體的響應(yīng)行為研究

圖3. 光子間隙DA引起的光子晶體的響應(yīng)行為研究

  根據(jù)三波段光響應(yīng)光子晶體的響應(yīng)性能，設(shè)計(jì)并制備了可書寫屏幕和多重響應(yīng)信息編碼。根據(jù)TRPCs的制備流程，作者將熒光胺和乙二炔溶液制成墨水在光子晶體上寫入信息并設(shè)計(jì)了可用于信息寫入的屏幕（圖4），初始狀態(tài)信息隱藏，在UVC、UVA、NIR三種波段的光照過程中完整信息將逐步顯示出來。進(jìn)一步將TRPCs顏色與二進(jìn)制編碼結(jié)合進(jìn)行多重信息編碼（圖5）。三種波段光照可引起顏色發(fā)生變化從而得到不同的數(shù)字信息，從而顯示出多級(jí)復(fù)雜信息模式，實(shí)現(xiàn)多級(jí)信息編碼和圖案化顯示功能。由于TRPCs光響應(yīng)過程的不可逆性，還可以用于制作具有多重防偽特征的一次性標(biāo)簽，進(jìn)一步用在高端防偽領(lǐng)域。

圖4. 三波段光響應(yīng)光子晶體用于信息寫入屏幕

圖5. 三波段光響應(yīng)光子晶體用于二進(jìn)制信息編碼

  綜上，本研究通過接枝改性納米粒子和填充光子帶隙將光響應(yīng)物質(zhì)引入光子晶體之中，成功賦予光子晶體三波段光響應(yīng)能力，解決了傳統(tǒng)材料響應(yīng)維度不足的難題。通過UVC、UVA、NIR三波段光照顯示出不同的信息輸出，進(jìn)而用于信息寫入與顯示，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多重信息編碼及防偽應(yīng)用。其不可逆反應(yīng)特性雖限制重復(fù)寫入，卻為一次性防偽提供了天然安全保障。

  該論文發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》，題為“Tri-band Responsive PS-PMMA/SMC Photonic Crystals for Real-Time Information Writing and Coding”，論文第一作者為北京化工大學(xué)博士研究生陳宜萍，魏杰教授為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金（51873009）和北京市自然科學(xué)基金（2192042）資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165374