Advanced Functional Materials:将浸润性可控的双响应双层光子晶体用于不可见复杂信息的编码和解码

在生物进化过程中,许多物种通过改变自身结构色的对比度来展现复杂而快速的颜色变化用于传递信号,如动物的竞争捕食或雄性求爱。来自自然结构的灵感为研究人员提供了许多关于开发响应功能和智能界面材料的想法。将响应性胶体光子晶体与润湿性可控的材料相结合,开发出隐形编码模式,在 “隐写术”和“水显色”领域中具有重要意义。这些作用机制建立在光子晶体材料基础上,正常环境条件下图案不可见,通过外部刺激响应后可见。良好的隐形编码模式要求响应前图案区与背景的颜色对比度低,响应后对比度高。同时,响应方式应简单、方便、可回收。因此,湿敏材料(如凝胶、介孔材料和纳米层聚合物)以及隐形编码方法(包括光子打印和化学修饰)被引入到光子晶体中,用于诱导对环境湿度或水的响应变色。通过改变体系的有效折射率或晶格间距,可实现隐形模式的显示。然而,由于这些材料对环境条件的高度敏感性,正常的环境条件(如湿度)也会使不可见的图案可视化;此外,这种编码方式需要复杂的表面修饰。为了获得更多的功能性材料,光子晶体的表面润湿性受到了广泛的关注。表面结构和化学成分是影响润湿性结构色的两大因素,不同的润湿模式取决于孔隙的形状。当薄膜被浸入水中时,由球形孔洞组成的反蛋白石的润湿过程没有向异性,表面被均匀润湿。但当球形孔洞转变为椭球形时,可以观察到定向润湿现象。也就是说,利用向异性浸润,可以将复杂信息同时编码到具有隐形模式的单一系统中。然而,利用反蛋白石的物理形变来可逆调控光子晶体的浸润性仍然面临着重大挑战。

大连理工大学精细化工国家重点实验室张淑芬课题组利用弱亲水性形状记忆聚合物报道了第一种浸润性可控的双响应双层光子晶体,用于不可见复杂信息的编码和解码。这种形状记忆聚合物的单体由乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚乙二醇双丙烯酸酯、丙烯酸及甲基丙烯酸丁酯组成(体积比1:3:2:0.5)。通过压力对乙醇润湿的顶层光子晶体进行复杂图案的编码。压制图案前,模具蘸取适量氯化钠溶液可增强图案区的浸润性。当浸泡于水中后,图案区与非图案区的色彩对比度由低变高,显示出不同颜色的图案。这些图案的颜色受诱导压力和无机盐的“Donnan”电势所控。压力诱导形状记忆聚合物在编码过程中,双层光子晶体的微孔可以在球体和椭球体之间可逆转换。微孔间的“横向颈部角”随微孔形变而增大。“横向颈部角”越大,水在该区域的浸润性越强。由于水的充盈,不完全浸润区的有效折射率增加,最大衍射波长增加,从而展现出不同的色彩(黄色和红色)。当水完全浸润微孔时,由于折射率匹配,编码区将失去结构色。此时,薄膜和溶剂的透明性使得底层的布拉格反射光可以穿透顶层,展现底层的蓝色图案。而非图案区仍然保持绿色,与图案区形成鲜明的色彩对比。通过乙醇擦拭,编码的复杂图案可被重置,这就允许对其它图案进行编码。这项工作以大连理工大学70周年校庆为契机,设计了具备丰富色彩变化的响应性双层光子晶体。为在单一材料平台上编码复杂信息开辟了新的途径,扩展了隐形信息编码模式的设计方法。

相关工作以“Encoding and Decoding of Invisible Complex Information in a Dual‐Response Bilayer Photonic Crystal with Tunable Wettability”为题,发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201906799)上。