復(fù)旦大學(xué)汪長春教授課題組：用于快速打印結(jié)構(gòu)色智能器件的磁響應(yīng)光子晶體油墨

來源：高分子科技

光子晶體是一類具有周期性介電常數(shù)結(jié)構(gòu)的材料，可以通過改變材料的物理結(jié)構(gòu)和折光性質(zhì)來調(diào)制特定波長光的傳播。其中，刺激響應(yīng)型光子晶體的光子帶隙結(jié)構(gòu)可以隨著外界刺激（例如蒸氣，溫度，應(yīng)力，pH和電磁場）的變化發(fā)生改變。通過在可見光波長范圍內(nèi)調(diào)制其衍射波長，可以直接觀察到顏色改變，在化學(xué)傳感、生物檢測、防偽標(biāo)示和加密存儲等諸多領(lǐng)域中有巨大的應(yīng)用前景。

由磁性納米微球（如四氧化三鐵納米簇膠體）作為結(jié)構(gòu)單元的光子晶體因其較高的折射率、簡單的組裝過程、快速可逆的響應(yīng)效果，備受人們關(guān)注。在已有的報道中，雖然磁性納米粒子的制備方法被廣泛研究，該類型光子晶體只能在液體環(huán)境下進(jìn)行組裝，隨之而來的流動性和不穩(wěn)定性給磁響應(yīng)型光子晶體的實(shí)際應(yīng)用帶來很大的限制。因此，研究者們近年來傾向于將磁性光子晶體的規(guī)整結(jié)構(gòu)固定在高分子基體中，以期制備固態(tài)的結(jié)構(gòu)色器件。然而，被聚合交聯(lián)后的框架固定的納米粒子，不再能在外磁場下調(diào)整其結(jié)構(gòu)特征，因而喪失了其優(yōu)異的磁響應(yīng)變色性質(zhì)。

近期，復(fù)旦大學(xué)汪長春教授課題組對磁性光子晶體的器件制備進(jìn)行了探索，提出了一種簡單快捷的策略來制備可供3D打印的磁響應(yīng)光子晶體復(fù)合油墨，優(yōu)化了磁性納米粒子分散液在硅橡膠前驅(qū)體中的乳化能力，從而將磁響應(yīng)光子晶體以液滴形式保護(hù)在可室溫固化的基體中。首次將3D打印技術(shù)與光子晶體相結(jié)合，通過對連續(xù)相的觸變性進(jìn)行調(diào)控，獲得了易于打印的光子晶體墨水。通過控制光子晶體液滴尺寸大小和外加磁場的強(qiáng)弱，可以靈敏地調(diào)控磁響應(yīng)光子晶體器件的顏色。

圖1. （a、b）磁性納米粒子的水分散液及其在磁場下的1D磁性鏈的組裝，（c、e、f）磁性納米粒子分散液的磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)色展示，（d）不同磁場強(qiáng)度下磁性納米粒子分散液的反射光譜

圖2.（a）磁性光子晶體油墨的制備路線及3D打印二維碼和雙色蝴蝶圖案的示意圖，（b）使用兩種不同的光子晶體油墨3D打印的蝴蝶圖案在不同磁場強(qiáng)度下的循環(huán)變色照片，（c）光子晶體油墨及固化后的器件結(jié)構(gòu)色調(diào)控的微觀原理示意圖

這項(xiàng)策略既在最終的固態(tài)產(chǎn)品中保持了其靈敏迅速的磁響應(yīng)變色特性，又?jǐn)[脫了模具限制的固定形狀，能靈活方便地加工出定制的結(jié)構(gòu)色器件。本研究將磁響應(yīng)型光子晶體從液體形式中解放出來，為光子晶體在光學(xué)顯示、信息防偽和磁場傳感器方向的應(yīng)用提供了一項(xiàng)有吸引力的解決方案。以上研究工作近期以“Magneto-Sensitive Photonic Crystal Ink for Quick Printing of Smart Device with Structural Colors”為題被《Materials Horizons》接收。復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士生方怡權(quán)為論文第一作者，汪長春教授為論文通訊作者。

該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和廣東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1039/D1MH00577D