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  逆反射現(xiàn)象常見于各類交通警示標(biāo)志中，目前，絕大多數(shù)商業(yè)化的逆反射警示標(biāo)志是基于全內(nèi)反射（TIR）機制的玻璃珠產(chǎn)生的，其逆反射顏色是通過整合含有染料和顏料的彩色基底所產(chǎn)生的，然而，這兩種基底都會存在光漂白和環(huán)境污染等問題。逆反射結(jié)構(gòu)色，由于其優(yōu)異的抗光漂白能力和良好的穩(wěn)定性，將為解決上述問題提供理想的解決方案。

  來自廣東工業(yè)大學(xué)的楊東朋博士和黃少銘教授等人發(fā)現(xiàn)了一種力致變色光子晶體，其制備方法是令二氧化硅顆粒在丙烯酸酯單體中自組裝，再通過光固化得到光子晶體薄膜，通過簡單的拉伸便可以使其自身的反射結(jié)構(gòu)色轉(zhuǎn)變?yōu)槟娣瓷浣Y(jié)構(gòu)色。相關(guān)工作以“Lattice Transformation-Induced Retroreflective Structural Colors”為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

圖1：MPC的(a)組分含量、(b) SEM圖像和(c)角分辨反射光譜。(d)不同應(yīng)變下的示意圖、數(shù)碼照片和反射光譜。(e)不同狀態(tài)下MPC的反射結(jié)構(gòu)色示意圖和數(shù)碼照片。（f-h）PC在(f) state 1（ε = 0%）、(g) state 2（ε = 50%）和（h）state 3（ε = 50%并旋轉(zhuǎn)90°）下的逆射光譜。

  如圖所示，通過在含有二（乙二醇）乙醚丙烯酸酯（DEGEEA）、聚乙二醇單苯酯（PEGPEA）和光引發(fā)劑的單體中進(jìn)行光聚合過程以固定二氧化硅顆粒的非緊密排列結(jié)構(gòu)。二氧化硅顆粒、DEGEEA和PEGPEA的體積分?jǐn)?shù)分別為25%、37.5%和37.5%（圖1a）。如圖1b所示，在掃描電子顯微鏡（SEM）下，PC的表面和截面都呈現(xiàn)出長程有序結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的PC一樣，由于長程有序，PC顯示出與角度相關(guān)的反射波長（圖1c）。當(dāng)入射角和視角(θ)同時在0到60°之間變化時，其波長從614nm藍(lán)移到501 nm。得益于DEGEEA和PEGPEA優(yōu)異的機械性能，PC可以通過拉伸來顯示反射和逆反射的結(jié)構(gòu)色。原始的PC顯示出明亮的紅色（圖1d）。隨著應(yīng)變(ε)從0增加到50%，其波長從614nm減少到448 nm，相應(yīng)的顏色隨紅色變?yōu)樗{(lán)綠色。反射結(jié)構(gòu)色的藍(lán)移可以歸因于晶格距離的減小，而PC的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域之間的顏色差異可以歸因于它們在拉伸過程中的不均勻變形。與此同時，最有趣的發(fā)現(xiàn)是，在拉伸過程中觀察到了逆反射結(jié)構(gòu)色，如圖1e所示。PC有三種狀態(tài)，包括原始的PC（state 1，ε = 0%）和沿著拉伸方向（state 2，ε > 0%）和垂直于拉伸方向（state 3，ε > 0）觀察到的PC。相應(yīng)地，在state 1?3之間存在兩個反射-逆反射結(jié)構(gòu)色的轉(zhuǎn)換（switch-1和switch-2）。原始PC（state 1）在θ = 0?20°時顯示為明亮的反射紅色，而在θ = 30?60°時顯示為藍(lán)色，這可能是由于二氧化硅粒子的瑞利散射造成的。對于拉伸后的PC（state 2）逆反射光譜只能在θ = 30?60°的條件下測出，在θ = 0?20°的條件下無法觀察到逆反射結(jié)構(gòu)色，此時令PC的ε = 50%，拉伸的PC顯示出角度依賴的逆反射結(jié)構(gòu)色。在θ = 50°和60°處，波長分別為594 nm和644nm，顯示出明亮的明亮橙色和紅色（圖1g）。將state 2的拉伸PC沿薄膜平面旋轉(zhuǎn)90°即為state 3，在θ = 30?60°處顯示出相似的藍(lán)色，且有著相似的寬峰，而無法顯示逆反射的結(jié)構(gòu)色（圖1h）。

圖2：(a)switch-1和switch-2的示意圖。（b-c）ε為0%(b)和50%(c)的PC表面掃描電鏡圖像。

  PC逆反射結(jié)構(gòu)色的兩個轉(zhuǎn)換過程（switch-1和switch-2）可以歸因于由拉伸引起的表面二維晶格變換。如圖2a-b所示，原始PC的表面具有一個非緊密排列的六邊形晶格，在經(jīng)過拉伸后，其晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫兴倪呅尉Ц癫⒅饾u能夠在逆反射方向上反射光。根據(jù)計算可知，原始PC的逆反射波長（θ = 30?60°）在217?375nm的范圍內(nèi)，因此，在逆反射方向上觀察不到可見的顏色。在被拉伸（ε = 50%）后，六角形晶格轉(zhuǎn)化為平行四邊形晶格，導(dǎo)致其沿著拉伸方向晶格間距大幅增加而垂直于拉伸方向的晶格間距減小。此時經(jīng)過計算可知，state 2的逆反射波長位于可見光區(qū)內(nèi)，而state 3的逆反射波長仍小于可見光范圍。因此，可以在拉伸方向上觀察到逆反射的結(jié)構(gòu)色，但不能在垂直于拉伸方向顯示。以上結(jié)果均表明，由六邊形?平行四邊形晶格變換引起的沿拉伸方向的長度增加是逆反射結(jié)構(gòu)色的關(guān)鍵。

圖3：（a?b）PC用于膝關(guān)節(jié)動態(tài)傳感的示意圖及數(shù)碼照片。（c?d）肘關(guān)節(jié)擺動運動時的動態(tài)傳感示意圖及數(shù)碼照片。(e)反光色在視覺感知橋梁和船舶變形方面的潛在應(yīng)用示意圖。(f)PC夾在在黑色和透明的PDMS之間制造防偽標(biāo)簽的示意圖。(g)不同ε和θ下的防偽標(biāo)簽的示意圖（左）和數(shù)碼照片（右）。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c07980

作者簡介：

楊東朋，博士。研究方向：膠體光子晶體可控組裝及應(yīng)用。以第一/通訊作者在J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Mater. Horiz. (Review), Chem. Eng. J., J. Colloid Interface Sci., Adv. Optical Mater., ACS Appl. Mater. Interface, J. Mater. Chem. C., Chem. Commun., Nanoscale, Langmuir, J Phys. Chem. C等國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文近40篇，獲得授權(quán)國家發(fā)明專利1項。成果多次被Nature, ACS, APS作為研究亮點，并被JMCC, PCCP, AMI, ACS Omega等期刊選為封面。

黃少銘 教授，博導(dǎo)，國家杰出青年基金獲得者。1991年獲南開大學(xué)博士學(xué)位。1991-1993 南京大學(xué)博士后，出站后留任南京大學(xué)副教授。1996-2005先后在英國Sussex大學(xué)、澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院(CSIRO) 和美國Duke大學(xué)從事研究。2005年3月回國任南京大學(xué)教授、博導(dǎo)。2005.9-2018.12任職溫州大學(xué)，2019.02月起任職廣東工業(yè)大學(xué)。擔(dān)任廣州市低維材料與儲能器件重點實驗室主任，校學(xué)術(shù)與學(xué)位委員會委員及分委員會主任。長期致力于低維材料及器件應(yīng)用研究。在納米結(jié)構(gòu)碳材料及儲能器件應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面取得了一系列具有國際影響的成果。1999年以來已在國際學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表400余篇論文, 包括Nat. Mater., Nat. Commun., JACS., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Phys. Rev. Lett.等，被引用近2萬次, H指數(shù)70，入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。申請專利90多項。先后完成和承擔(dān)包括科技部973和863項目、國家杰出青年基金、國家自然科學(xué)基金委國際合作研究重點項目、面上項目及省部級重點項目等十多項，獲省部級獎3項。