复旦大学汪长春教授课题组《Materials Horizons》:用于快速打印结构色智能器件的磁响应光子晶体油墨

发布时间:2021-06-08 

 

光子晶体是一类具有周期性介电常数结构的材料,可以通过改变材料的物理结构和折光性质来调制特定波长光的传播。其中,刺激响应型光子晶体的光子带隙结构可以随着外界刺激(例如蒸气,温度,应力,pH和电磁场)的变化发生改变。通过在可见光波长范围内调制其衍射波长,可以直接观察到颜色改变,在化学传感、生物检测、防伪标示和加密存储等诸多领域中有巨大的应用前景。

 由磁性纳米微球(如四氧化三铁纳米簇胶体)作为结构单元的光子晶体因其较高的折射率、简单的组装过程、快速可逆的响应效果,备受人们关注。在已有的报道中,虽然磁性纳米粒子的制备方法被广泛研究,该类型光子晶体只能在液体环境下进行组装,随之而来的流动性和不稳定性给磁响应型光子晶体的实际应用带来很大的限制。因此,研究者们近年来倾向于将磁性光子晶体的规整结构固定在高分子基体中,以期制备固态的结构色器件。然而,被聚合交联后的框架固定的纳米粒子,不再能在外磁场下调整其结构特征,因而丧失了其优异的磁响应变色性质。

 近期,复旦大学汪长春教授课题组对磁性光子晶体的器件制备进行了探索,提出了一种简单快捷的策略来制备可供3D打印的磁响应光子晶体复合油墨,优化了磁性纳米粒子分散液在硅橡胶前驱体中的乳化能力,从而将磁响应光子晶体以液滴形式保护在可室温固化的基体中。首次将3D打印技术与光子晶体相结合,通过对连续相的触变性进行调控,获得了易于打印的光子晶体墨水。通过控制光子晶体液滴尺寸大小和外加磁场的强弱,可以灵敏地调控磁响应光子晶体器件的颜色。

 

图1. (a、b)磁性纳米粒子的水分散液及其在磁场下的1D磁性链的组装,(c、e、f)磁性纳米粒子分散液的磁响应结构色展示,(d)不同磁场强度下磁性纳米粒子分散液的反射光谱

 

图2.(a)磁性光子晶体油墨的制备路线及3D打印二维码和双色蝴蝶图案的示意图,(b)使用两种不同的光子晶体油墨3D打印的蝴蝶图案在不同磁场强度下的循环变色照片,(c)光子晶体油墨及固化后的器件结构色调控的微观原理示意图

 这项策略既在最终的固态产品中保持了其灵敏迅速的磁响应变色特性,又摆脱了模具限制的固定形状,能灵活方便地加工出定制的结构色器件。本研究将磁响应型光子晶体从液体形式中解放出来,为光子晶体在光学显示、信息防伪和磁场传感器方向的应用提供了一项有吸引力的解决方案。以上研究工作近期以“Magneto-Sensitive Photonic Crystal Ink for Quick Printing of Smart Device with Structural Colors”为题被《Materials Horizons》接收。复旦大学高分子科学系博士生方怡权为论文第一作者,汪长春教授为论文通讯作者。

 该研究工作得到了国家自然科学基金和广东省重点研发项目的资助。

 论文链接:https://doi.org/10.1039/D1MH00577D