Advanced Optical Materials:结构色材料的力致变色现象及其应用

色彩,在我们的生活中有着重要的意义,它不单单起到美学装饰的作用给人以视觉享受,还往往承载和传递着丰富的信息。在我们目之所及五彩斑斓的世界上,色彩的来源主要有两种:色素色和结构色。前者源于色素分子对光的选择性吸收,后者则源于有序纳米结构对光的选择性衍射与反射。由于色彩的构成不依赖于特定化学结构,结构色相比色素色具有更佳的化学稳定性和抗光漂白能力,且可以避免大量有毒色素染料的使用。结构色早已存在于自然界中亿万年,从变色龙、热带鱼、甲壳虫到孔雀羽毛、反蛋白石,构成了大自然瑰丽的画卷。

随着人类对纳米尺度下物质的研究与操纵能力不断深入,人们逐渐制备出了具有不同架构的结构色材料,诸如光子晶体、液晶和光子玻璃等。通过对材料亚微米级折射率周期性的精细调控,制备动态、响应性结构色材料的大门被打开。而在一系列外界刺激响应性结构色材料中,力致变色材料可作为一种有效的指示器,将不可见的机械力可视化为肉眼可识别的色彩变化,在近年来获得飞速的发展。

中山大学化学学院的陈国健博士及洪炜副教授,就近年来涌现的力致变色结构色材料进行了综述。按照结构色材料在亚微米级尺度上的有序程度(包括完全有序的光子晶体结构、部分有序的液晶结构、长程无序的光子玻璃结构),作者分类介绍了多种力致变色结构色材料的制备策略和生色、变色机理,也对不同类别结构色材料的优缺点展开了论述。有赖于全世界科研工作者的不懈努力,该类材料的光学调控能力(包括波长、偏振、透光率等)、响应速度、灵敏度、多重响应能力、耐久性、大面积制备能力等一系列性能都得到了长足的发展。此外,对于近年来力致变色结构色材料在广泛领域中的应用,包括力学传感器、变色纤维、光子显示器件、信息加密及防伪器件、智能窗户、可调激光发射器、可调滤波器等,文中也进行了介绍,体现了力致变色结构色材料的广泛的应用前景。

归功于巧妙的纳米结构设计和新型材料的引入,力致变色结构色材料在性能和应用上都取得了令人惊叹的成就,然而还有一些亟待解决的科学问题。譬如,在大面积制备力致变色材料的同时,如何保持材料的结构完整性和高的色彩纯度;此外,力致变色材料往往依赖于弹性聚合物组分,然而该组分的折射率一般较低,导致最终结构色材料中折射率差不足,结构色的反射强度及色彩纯度都受到了限制;以及如何将该类材料与光学检测器件、计算机等设备结合,以进一步实现学信号的准确读出及后续精细分析。相信随着力致变色结构色材料的不断完善和发展,新一代的可视化力学响应器件必将在多个应用领域大展身手。

相关论文在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.202000984)上。