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  纖維素基光子晶體材料是一種新興的材料，在光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域具有很大應(yīng)用潛力。然而，CNC光子晶體材料的發(fā)展還面臨一些挑戰(zhàn)。例如，如何實(shí)現(xiàn)CNC材料的環(huán)境適應(yīng)性、增強(qiáng)其光學(xué)性能、提高材料的穩(wěn)定性和柔韌性等問題仍需進(jìn)一步研究和解決。通過將柔性材料與CNC復(fù)合并衍生出一系列柔韌性強(qiáng)的光子材料是目前該研究領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。

  鑒于此，廣西大學(xué)王雙飛院士團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)的回顧了有關(guān)設(shè)計(jì)和制備柔性CNC手性向列膜材料的最新進(jìn)展，討論了用于提高CNC柔韌性的主要工藝和方法，詳細(xì)介紹了這些方法的原理和優(yōu)勢(shì)，并討論了它們對(duì)CNC材料柔韌性的影響。此外，還討論了柔性CNC光子材料未來的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。該綜述以題為“Recent Advances in Flexible CNC-Based Chiral Nematic Film Materials”發(fā)表在期刊《Small》上。

文章要點(diǎn)：

  在這篇綜述中，作者系統(tǒng)地總結(jié)了柔性CNC基手性向列薄膜材料（FCNM）的最新進(jìn)展，包括四種具有柔性的添加劑材料：分子材料、離子液體(IL)/低共熔溶劑(DES)、柔性大分子材料以及納米纖維，還總結(jié)了FCNM主要的應(yīng)用領(lǐng)域，如防偽、信息檢測、智能響應(yīng)材料和傳感器等。

圖1 FCNM制備方式以及應(yīng)用示意圖

柔性分子

圖2 (a) CNC/Gly復(fù)合膜的最大消光波長和螺距與甘油含量呈正相關(guān)。(b) 通過改變甘油的添加量，可以改變復(fù)合膜的顏色。(c) 添加甘油改變CNC結(jié)構(gòu)顏色的機(jī)理。(d) 不同甘油添加量下復(fù)合膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

  小分子增塑劑常引入到CNC中形成FCNM。甘油（Gly）, 山梨醇（S）,檸檬酸（CA）等小分子增塑劑可以簡單地添加到CNC懸浮液中，以提高CNC手性向列膜材料的柔韌性。小分子增塑劑的添加使材料更加柔韌，改善了其機(jī)械性能和拉伸性能。同時(shí)小分子增塑劑是常見的、成本相對(duì)較低的化學(xué)品，它們易于獲取且價(jià)格相對(duì)較低。這使得使用這些增塑劑的FCNM制備成本較低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，這些添加劑可以確保材料與生物體的良好相容性，減少對(duì)生物組織的損傷。小分子增塑劑在CNC懸浮液中的添加不僅可以改變材料的柔韌性，還可以調(diào)節(jié)CNC與聚合物基質(zhì)的界面相互作用，改變材料的表面性質(zhì)和界面吸附能力。這對(duì)于控制材料的潤濕性、黏附性和界面相容性等方面具有重要意義。

離子液體(IL)/低共熔溶劑(DES)

圖3 (a) CNC、HPG、IL(BmimCl)和Anth之間存在的相互作用。 (b) HPG/CNC/IL/Anth復(fù)合膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c) DES修飾CNC的機(jī)理。

  IL和DES有一個(gè)非常突出的共同點(diǎn)，那就是它們的類型種類繁多。IL和DES具有廣泛的材料選擇性，這使得它們?cè)?/span>CNC柔性領(lǐng)域具有重要意義。未來，研究人員可以繼續(xù)研究其他類型的IL和DES，它們?cè)?/span>CNC塑化方面的潛力仍有待探索。

柔性大分子材料（天然柔性大分子材料和合成大分子材料）

圖4 (a)柔性CNC/PEG手性向列復(fù)合膜的制備機(jī)理。(b)不同組分比下四種CNC/PEG復(fù)合膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖顯示CNC/PEG復(fù)合薄膜的折疊情況。(c)組裝ANH、PEG和CNC，得到柔性手性向列膜。(d)手性向列結(jié)構(gòu)的螺距變化示意圖。

  與小分子增塑劑相比，柔性大分子材料具有較長的分子鏈結(jié)構(gòu)，在空間上更加靈活延展和彎曲。同時(shí)柔性大分子材料可以通過溶解在納米晶膠束中，形成均勻的大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。柔性大分子材料具有物理交聯(lián)（例如，鏈段間的互相糾纏、分子間的弱鍵交聯(lián)等）的特點(diǎn)，這種交聯(lián)機(jī)制能夠提供額外的力學(xué)增強(qiáng)，增加材料的柔韌性和拉伸性能。而小分子增塑劑通常在CNC懸浮液中以溶質(zhì)的形式存在，并沒有明顯的物理交聯(lián)效應(yīng)。

  總體而言，柔性大分子材料能夠通過其特殊的分子結(jié)構(gòu)、溶解性、物理交聯(lián)和調(diào)控分子量等特點(diǎn)，為FCNM提供更好的柔韌性。然而，在選擇時(shí)需要綜合考慮目標(biāo)應(yīng)用、成本效益和制備復(fù)雜度等因素，以找到最適合的增強(qiáng)柔韌性的方法。

納米纖維

圖5 (a)采用手性向列相與不規(guī)則相交替制備CNC-CNF交替層狀復(fù)合膜。(b)不同層數(shù)的CNC-CNF復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c)下觀察到的CNC與CNF交替層狀結(jié)構(gòu)示意圖掃描電鏡。(d) CNC-CNF復(fù)合膜楊氏模量的直方圖。

  納米纖維具有纖維直徑在納米尺度范圍內(nèi)的特點(diǎn)，這與傳統(tǒng)的微米級(jí)纖維相比具有顯著的尺寸效應(yīng)。納米纖維的小尺寸使得其具有更大的比表面積和更高的界面能量，使其更容易發(fā)生變形，從而提高了材料的柔韌性。此外，納米纖維可以形成高度有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠有效地分散和傳遞應(yīng)力。納米纖維之間的相互作用力可以通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整來改變材料的柔韌性和可變形性。

  納米纖維的提高柔韌性的能力來源于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。然而，納米纖維的應(yīng)用仍面臨著一些挑戰(zhàn)，例如制備成本較高、生產(chǎn)規(guī)模化困難等。因此，在納米纖維的應(yīng)用中需要綜合考慮材料性能、制備技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性等因素。

柔性FCNM的應(yīng)用及挑戰(zhàn)

圖6 (a)從不同角度(30°和60°)觀察駕駛證上的光學(xué)標(biāo)簽，車身和車輪之間會(huì)有明顯的色差。自制二維碼和熊貓圖案FCNM在(b)自然光和(c)紫外線照射下的光學(xué)顯示。(d)手性向列QR碼材料在自然光下的照片。(e)打印方向?yàn)?/span>0°/90°的水凝膠透光性最小(QR碼顯示黑色)，(f) 45°的水凝膠透光性最大(0°處顯示黑色的部分變成白色)。

  1.FCNM可以用作防偽材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性使得其具有高度復(fù)雜且難以復(fù)制的光學(xué)效果。通過精確控制FCNM的制備過程，可以生成具有特定顏色、圖案和光學(xué)效果的材料，可以應(yīng)用于貨幣、證件、標(biāo)簽和包裝等領(lǐng)域的防偽應(yīng)用。

  2.FCNM可以根據(jù)環(huán)境中的特定物理或化學(xué)變化，在可見光、紫外線或紅外光等光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)顏色、形貌或光學(xué)性能的可見變化。這使得FCNM可以在信息檢測方面應(yīng)用，例如用于溫度、濕度、光照等參數(shù)的傳感器和指示器。

  3.FCNM具有對(duì)外部刺激的響應(yīng)性，可以通過調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)和形貌來實(shí)現(xiàn)可逆的形狀變化、體積變化或表面特性的變化。這使得FCNM可以用作智能響應(yīng)材料，例如用于嵌入式傳感器、可調(diào)諧光學(xué)器件和自動(dòng)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。

  4.FCNM可以用于傳感器的制備，用于檢測環(huán)境中的物理或化學(xué)參數(shù)。通過特定的制備過程，可以將FCNM與功能性分子或納米顆粒等復(fù)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、氣體濃度、化學(xué)物質(zhì)等的高靈敏度和選擇性檢測。

  盡管FCNM有諸多應(yīng)用，但是FCNM的制備過程需要精確控制多個(gè)參數(shù)，包括納米晶膠束的形成、組裝和涂覆等步驟。制備技術(shù)的復(fù)雜性和工藝要求高，對(duì)設(shè)備和工藝條件的要求較高，其力學(xué)性能、穩(wěn)定性和耐久性仍需要改進(jìn)，以滿足應(yīng)用需求。盡管具有廣泛的應(yīng)用前景，但將實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)化為可商業(yè)化的產(chǎn)品仍面臨技術(shù)、市場和經(jīng)濟(jì)等方面的難題。

  隨著對(duì)FCNM的深入研究和技術(shù)的不斷發(fā)展，相信這些挑戰(zhàn)將逐步得到解決，為FCNM在防偽、信息檢測、智能響應(yīng)材料和傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來更廣闊的前景。

  廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院碩士研究生鄒徐洋和薛銳為該工作的共同第一作者，趙輝助理教授為該工作的通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金和廣西自然科學(xué)基金資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202303778