具有分级光学结构的可拉伸结构色纳米复合薄膜

自然界生命王国中鲜艳的色彩引起了人们的高度关注,如孔雀的羽毛、蝴蝶的翅膀和变色龙的皮肤等。此类色彩是由微观上特殊的纳米结构对光的衍射、干涉、散射等物理作用引起的,因此被称为结构色。受自然界中的先进光学设计所启发,科学家们在实验中合成了大量具有良好光学性能的光学材料,甚至与变色龙变色能力类似的机械变色材料也已被成功开发。不可否认,机械诱导变色材料在显示、传感等众多领域具有巨大的应用价值。然而,结构色材料在变形状态下光学性质的不稳定性,有可能会干扰相应可穿戴光子器件的信号输出,从而严重限制了结构色材料在可穿戴光子器件领域中的实际应用。

在传统的纳米复合光学薄膜中,纳米粒子均匀、紧密地分布于聚合物网络框架中,纳米复合材料的形变将会改变纳米粒子的微观排列,因此往往会导致纳米复合材料宏观光学性质的变化。另外,功能聚合物在纳米粒子之间的填充由于降低了体系的折光指数反差,纳米复合材料的光学性质被显著降低。进一步开发具有良好光学性质且对形变不敏感的纳米复合结构色材料,对其在可穿戴光学器件中的应用至关重要。从理论上讲,分级光学结构(纳米粒子以组装体方式分布于聚合物网络框架中)比纳米粒子均匀分布的传统光学结构更不容易受到形变的影响。且组装体的形成有效增加了体系的折射率反差,因而有助于纳米复合材料光学性能的提升。

近期,受自然中通过简便、高效相分离策略实现高精度光学结构的启发,河北师范大学化学与材料科学学院的周金明教授团队和香港城市大学生物医学系的姚希教授课题组等合作,借助共组装过程中硅油诱导的连续相分离策略,发展了具有新型分级光学结构的结构色纳米复合薄膜。胶体粒子组装体合适的尺寸、形状有利于纳米复合薄膜光学性质的提高;而超分子有机凝胶骨架的动态可逆氢键,则赋予了纳米复合薄膜更优异的拉伸性能(> 1600%)、特殊的剪切变稀性质及优良的再加工性能。这些优异性质为结构色纳米复合材料在光学涂层方面的应用提供了便利。更重要的是,分级光学结构纳米复合薄膜中胶体粒子组装体与超分子有机凝胶之间的巨大力学强度反差,利用超分子聚合物的易变形性质避免形变对组装体微观光学结构和宏观光学性质的影响,从而使得纳米复合光学薄膜能够在极端变形条件下维持其结构色色彩的稳定。由于有效避免了形变对纳米复合薄膜光学性质的影响,从而消除了形变对相应光学器件信号输出的干扰,因此,本研究成果为可穿戴光学器件的发展提供新思路。

研究人员相信,通过赋予结构色材料外场响应智能性质,系列可穿戴传感、显示等可穿戴光子器件有望被进一步开发。相关论文以封底的形式发表在Advanced Optical Materials上(DOI: 10.1002/adom.201801749),第一作者为河北师范大学化学与材料科学学院学生韩鹏和贺雪莹。