Small Methods: 分子马达结构修饰助力彩色光子晶体薄膜制备

1. 研究背景

自然界中的很多生物都呈现出绚烂的结构色,以此实现交流、伪装或者求偶的目的。受自然界的启发,科学家们研究了不同类型具有周期性螺旋结构的光子晶体,这些人工制备的光子晶体同样可显示出明亮的彩虹色。其中,具有刺激响应性的光子晶体因为其反射色可随外界变化而变化,这种实时变化的特性使其备受关注。胆甾相液晶作为一种典型的一维光子晶体,而且由于其易被外场调控而成为开发响应性光子晶体的优选材料,制备多重响应和反射带隙覆盖整个可见光波段的胆甾相液晶具有重大的意义。光响应性螺烯类分子马达具有优异的手性反转的特性,使得基于分子马达的胆甾相液晶有较多的研究。但在之前的研究中,分子马达和棒状液晶较差的相容性成为一个需要解决的问题。

北京大学杨槐课题组设计并合成了液晶性胆固醇接枝的分子马达,液晶性的取代基团极大地提高了分子和液晶基体的相容性,同时使得分子可较大程度被可见光驱动(420 nm)。将胆固醇接枝的分子马达和温度响应性的可聚合氢键液晶体系相混合,制备出了光热双重响应性的胆甾相液晶。其反射带隙覆盖了整个可见光波段,光致聚合可制备出具有鲜艳颜色的自支撑光子晶体薄膜,内部的螺旋结构也得到了保留。

2. 具体内容

对分子马达的光热动力学进行表征,发现胆固醇接枝的分子马达在可见光(420 nm)光辐照下,吸收峰从405 nm红移到418 nm,红移程度远大于未接枝的分子马达,说明该分子马达可较大程度地被可见光驱动。

为了制备可自支撑的光子晶体薄膜,将分子马达与可聚合氢键液晶体系混合,制备了光热双重响应性的胆甾相液晶体系。表征了复合体系的反射带隙中心随温度和光辐照的变化规律,其反射带隙变化可覆盖整个可见光波段,呈现处多彩的颜色。

随后在不同的温度下通过光致聚合制备了一系列光子晶体薄膜,薄膜具有鲜艳的结构色,证明了共聚可锁住胆甾相的螺旋纳米结构。在室温下对薄膜的反射图谱进行表征,进一步证明了螺旋结构在薄膜基体中的保留,在SEM图谱中也看到了清晰的螺距条纹。动态的反射带隙不仅可以通过调节温度实现,而且可以通过光辐照实现。当光由上而下对具有一定厚度的胆甾相液晶体系辐照时,在内部产生光强度梯度分布,所以沿厚度方向分子马达异构化程度呈梯度分布,最终导致螺距沿梯度的分布,实现了反射带隙的波带拓宽。

随后借助不同图案的光掩膜,采用分布聚合的方法,在不同的温度下聚合或者局部光辐照达光稳态时聚合薄膜,制备了一系列图案化的彩色薄膜。

自支撑薄膜可被雕刻为树叶和矩形等不同的形状。薄膜的角度依赖性使得昆虫在90度正视时观察到显目的黄色,在观察角为45度时,昆虫显示出和背景树叶相同的颜色,可躲避捕食者。以及制备了可实现信息的隐藏或者传输的矩阵标签。

3. 总结:

该工作通过在分子马达本体接枝液晶性胆固醇,既解决了分子马达在液晶中的溶解性差的问题,又使分子马达的吸收峰移动至可见光波段,实现了可见光驱动的分子马达的手性翻转行为。基于这种新型分子,实现了任意图案化的胆甾相液晶高分子薄膜的制备,改材料在智能伪装和防伪材料方面具有应用潜力。

论文信息:

Freestanding Helical Nanostructured Chiro-Photonic Crystal Film and Anticounterfeiting Label Enabled by a Cholesterol-Grafted Light-Driven Molecular Moto

Jinying Bao, Zizheng Wang, Chen Shen, Rui Huang, Chenjie Song, Zhaozhong Li, Wei Hu, Ruochen Lan*, Lanying Zhang*, Huai Yang*

DOI: 10.1002/smtd.202200269

原文链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202200269