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清华大学许华平教授课题组《Adv. Mater.》:二硒动态共价交换反应助力实现可调结构色图案
2020-02-07  来源:高分子科技

  结构色是指光波发生折射、反射、衍射或干涉后而产生的各种颜色。与色素色相比,结构色的成色过程不依赖于任何染料分子,同时也不涉及光子能量的吸收与激发。其具有显色持久,颜色纯度高,环保可持续等特点。近年来,各种刺激响应性人工结构色材料层出不穷,并成功应用于传感检测、节能显示和防伪加密等领域。这些人工材料中的结构色通常由光刻、胶体自组装和嵌段共聚物相分离等方法来实现。但是价格昂贵的光刻机和多步繁琐的组装过程并不适合人工结构色材料的大规模制备,严重阻碍了其在民用领域的应用与发展。除此之外,与机械力、温度和蒸汽等传统刺激源相比,可见光作为一种清洁能源,其时间可控性和空间指向性更强,对材料的破坏能力更弱,因此更适合作为一种新型刺激源来调控材料的结构色变化过程。

  近日,清华大学许华平教授课题组通过向非晶型形状记忆聚合物网络中引入可见光响应的二硒动态共价键,成功制备出具有可见光响应性的结构色材料。该材料的结构色来源于材料在取向状态下的双折射过程。在偏振场下,寻常光和非寻常光的干涉波长与材料的取向程度有关,即与材料内应力的大小有关。通过在玻璃化转变温度(Tg)以上进行拉伸,之后冷却至室温来对材料进行取向并固定材料中的内应力,赋予材料一种背景结构色。然后利用掩模板在材料表面的特定位置施加可见光辐照,在有辐照的区域二硒键会发生动态共价交换反应,从而实现材料的可控应力松弛。形状记忆聚合物中的应力松弛能够在维持材料表面平整度不变的情况下,改变材料中特定位置的取向状态,从而实现结构色图案化过程。

图1材料的形状记忆和可见光触发应力松弛性能的表征

图2 材料的透射波长与内应力的对应关系

  由于二硒动态交换反应的反应速率与辐照波长相关,因此通过施加不同波长、相同时间的可见光辐照,可以在材料中形成一系列不同取向状态的微区,从而实现彩色结构色图案。除此之外,通过对材料中不同区域施加同一波长、不同时间的可见光辐照,同样也可以实现彩色图案化过程。该辐照过程可以通过一台商业化的投影仪来实现,通过对软件进行编程可以使得照射过程自动进行,无需人为干预,因此该图案化过程相对简单并且不受空间地域的限制。由于图案的颜色与材料的内应力大小直接相关,因此材料中的图案一旦形成之后还可以进行光擦除,并经过重新拉伸之后可以再次实现图案化过程。

图3 利用掩模板对材料进行图案化以及图案的光照擦除过程

图4 利用二硒键的波长响应性对材料进行彩色图案化

  该方法所需材料易于制备,图案化方法简单可控,图案化材料可循环利用。其在防伪加密、节能显示和光学数据存储等方面具有很大的应用前景。

  该成果近期发表在Advanced Materials上,清华大学博士研究生刘诚为文章的第一作者,许华平教授为通讯作者。

  原文标题:Tunable structural color patterns based on the visible-light-responsive dynamic diselenide metathesis

  原文作者:Cheng Liu, Zhiyuan Fan, Yizheng Tan, Fuqiang Fan and Huaping Xu*

  论文链接:https://doi.org/10.1002/adma.201907569

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