机械/化学刺激响应圆偏振光手性晶态纳米纤维素

选择性反射圆偏振光是手性螺旋结构具有的一种特殊光学性质,在自然界中广泛存在。例如甲壳虫外壳可以选择性的反射圆偏振光,螳螂虾可以利用圆偏振光信号进行交流,求偶等行为。刺激响应圆偏振光材料在加密,可穿戴设备,光学和机械传感材料等方面有很重要的应用。如何从自然界中获得灵感,构筑刺激响应圆偏振光材料一直是科学家关注的课题。晶态纳米纤维素可以自组装形成左旋的手性液晶排列,并且当干燥成膜之后可以保持这种手性液晶结构,具有选择性反射圆偏振光的能力。当反射光的波长在可见光范围时,可以产生鲜艳的彩虹色颜色。但是由于纯的纤维素膜机械性质差,在实际应用中受到很大的限制。

具有机械-化学双响应性能的晶态纳米纤维素基手性向列型膜材料在植入型传感器等生物医学领域具有重要应用前景。吉林大学徐雁教授团队和国家纳米中心唐智勇研究员团队合作研究,成功获得了基于多种弱相互作用的晶态纳米纤维素基复合手性向列型结构膜材料,并对其圆偏振光的刺激响应能力进行了详细的研究。由于葡萄糖作为增塑剂可以和晶态纳米纤维素组装形成氢键网状结构,具有良好的能量消散作用,因此该复合膜非常柔软,拉伸可以达到40.8%,是迄今为止拉伸性能最好的手性晶态纳米纤维素膜。同时左旋手性液晶结构也赋予其反射左旋圆偏振光的能力。这些独特的性质,使纤维素和葡萄糖复合膜具有机械响应圆偏振光的能力。研究结果表明,在机械拉伸和弯曲刺激下,复合膜反射左旋圆偏振光的能力可以在宽波长范围内进行调控,各向异性因子可以从0.01变化到0.24。同时,由于葡萄糖的吸水作用,可以对体系的折射率和螺距进行调控,进而调控其湿度刺激响应圆偏振光的行为。研究表明,当湿度从10%提高到100%时。复合膜反射圆偏振光的波长范围可以达到492 nm。同时,作者还展示了复合手性晶态纳米纤维素和葡萄糖复合膜在动态圆偏振光加密领域的应用。该研究工作为设计多刺激响应圆偏振光材料提供了一条简单,高效,绿色的途径,并且为动态加密,防伪材料提供了一种新思路。该工作发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201801395)。文章的第一作者是屈丹博士。