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  響應(yīng)性光子晶體因其能夠?qū)ν獠看碳ぎa(chǎn)生可調(diào)的光學(xué)性能而得到了深入的研究，其中水響應(yīng)光子晶體因其無污染、環(huán)保的特點而受到廣泛關(guān)注。根據(jù)布拉格定律，高折射率比是獲得結(jié)構(gòu)色不可或缺的條件。然而，液體滲透取代蛋白石內(nèi)部縫隙或者反蛋白結(jié)構(gòu)孔內(nèi)的空氣會造成蛋白石或反蛋白石與填充材料的折射率相近，據(jù)此制備的水響應(yīng)型光子晶體遇水時，光子禁帶（PBG）減弱而使顏色亮度大幅降低。還有報導(dǎo)通過水凝膠基質(zhì)的溶脹行為，調(diào)整光子晶體周期性晶格常數(shù)，或使用軟結(jié)構(gòu)膠體粒子作為構(gòu)建模塊改變折射率比，構(gòu)建了水響應(yīng)光子晶體，但其響應(yīng)速度較慢，同時水凝膠材料需要保持其中的水分以維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，構(gòu)建新型雙反蛋白光子晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)液體填充時，使反蛋白石內(nèi)部隨機分布的聚苯乙烯（PS）微球受液體浮力作用而均勻分布，實現(xiàn)快速水響應(yīng)以滿足實際應(yīng)用是非常必要的。

  最近，大連理工大學(xué)張淑芬教授團隊在《Chemical Engineering Journal》上發(fā)表了題為“Fast Water-Response Double-Inverse Opal Films with Brilliant Structural Color”的文章，首次制備出響應(yīng)時間快、顏色亮麗的新型水響應(yīng)雙反蛋白（WRDIO）膜。這種快速水響應(yīng)和易于使用具有亮麗結(jié)構(gòu)色的薄膜材料在用戶交互式防偽和傳感器領(lǐng)域顯示出潛在的應(yīng)用前景。

圖 1. 氫鍵誘導(dǎo)潤濕性改變的雙反蛋白光子晶體膜的原理和功能示意圖

  它的原理是，受蓮蓬啟發(fā)，將PS微球引入到反蛋白骨架中，制備了粒子嵌套的雙反蛋白結(jié)構(gòu)。水響應(yīng)過程是通過誘導(dǎo)反蛋白骨架孔內(nèi)的PS球在水環(huán)境中從隨機分布到受液體浮力作用而均勻分布，從而消除了散射干擾，產(chǎn)生了亮麗的結(jié)構(gòu)色。

圖 2. 氫鍵誘導(dǎo)潤濕性轉(zhuǎn)變的表征

  反蛋白骨架主鏈中碳酸鈉處理后羧基的去質(zhì)子化有效抑制了聚合物鏈之間氫鍵的形成，同時暴露的羧基陰離子導(dǎo)致親水性，這有利于水快速滲透進(jìn)反蛋白骨架的孔內(nèi)。

圖 3. 非溶脹水響應(yīng)雙反蛋白膜用于信息安全

利用區(qū)域浸潤性差異，制備了具有高度不可見圖案，通過水刺激響應(yīng)快速解密的雙反蛋白膜。

圖 4. 滲透壓驅(qū)動溶脹的水響應(yīng)雙反蛋白膜用于傳感檢測

  聚合物中羧基陰離子的含量會影響到光學(xué)性能，高比例羧基陰離子引起的滲透壓升高會使制備的雙反蛋白膜快速被水溶脹，而乙醇則不能使其溶脹。寬范圍的光譜移動(≈92 nm）取決于乙醇-水混合物的組成，在富含乙醇的體系中尤其靈敏。

  相關(guān)成果近日發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，DOI：10.1016/j.cej.2021.131213。論文的通訊作者為大連理工大學(xué)張淑芬教授，第一作者為化工學(xué)院博士生周常通。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721027947