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楊東朋副教授、黃少銘教授 ACS AMI:明亮的機械變色散射結(jié)構(gòu)色
2025-03-17  來源:高分子科技

  傳統(tǒng)機械變色光子晶體(MPCs)因其力可調(diào)反射結(jié)構(gòu)色而備受關(guān)注,這類材料通常需要三維非密堆積結(jié)構(gòu)。紹興文理學(xué)院楊東朋副教授與國科大杭州高等研究院黃少銘教授通過自組裝 ZnS 顆粒形成單層多晶結(jié)構(gòu),再用彈性聚氨酯(PU)填充顆粒間隙,制備出一種具有單層密堆積結(jié)構(gòu)、明亮彩虹散射結(jié)構(gòu)色和非常規(guī)機械變色性能的新型 MPC。ZnS 顆粒與 PU 之間的高折射率差(Δn=0.44)使得正向散射光的衍射效率顯著提升,從而實現(xiàn)了高飽和散射結(jié)構(gòu)色。該 MPC 展現(xiàn)出獨特的機械變色行為:沿拉伸方向顏色紅移,垂直拉伸方向顏色藍(lán)移,這一現(xiàn)象源于其晶體取向相關(guān)的變形機制。這項工作突破了傳統(tǒng) MPC 對三維非密堆積結(jié)構(gòu)的依賴,深化了結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能關(guān)系的理解,為設(shè)計先進(jìn)刺激響應(yīng)光子材料提供新思路。


  基于單層密堆積結(jié)構(gòu)與高折射率差材料的協(xié)同作用: 通過水 氣界面自組裝技術(shù)制備單層 ZnS 膠體晶體,形成密堆積多晶結(jié)構(gòu),隨后填充彈性聚氨酯(PU)。利用 ZnSn=1.91)與 PUn=1.47)之間的高折射率差(Δn=0.44),實現(xiàn)正向散射光的高效衍射,產(chǎn)生角度依賴的高飽和散射結(jié)構(gòu)色;通過控制顆粒尺寸(440 nm)和晶格間距,滿足布拉格衍射條件(mλ = d (sinα + sinβ)),實現(xiàn)寬色域調(diào)節(jié)。獨特的多晶結(jié)構(gòu)在拉伸時表現(xiàn)出取向依賴的晶格變形:沿應(yīng)力方向晶格間距增大導(dǎo)致紅移,垂直方向間距減小引發(fā)藍(lán)移,結(jié)合 PU 的高彈性(斷裂應(yīng)變 > 60%),實現(xiàn)可逆雙模態(tài)機械變色響應(yīng)。


1:傳統(tǒng)機械變色光子晶體與本研究中的機械變色光子晶體的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)示意圖。


2 機械變色光子晶體(MPC)的表征。(A) MPC 的制備示意圖;(B) 表面和截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像;(C) X 射線衍射(XRD)圖譜;(D) 散射光譜及對應(yīng)的 MPC 照片;(E) 正向散射光的衍射示意圖;(F) 計算和實驗測得的 λ 隨 β 的變化關(guān)系;(G) ZnS 和 ZnS/PU 薄膜的 λ 隨 β 的變化關(guān)系。


3 ZnS 和單層結(jié)構(gòu)的影響。(A) 單層 ZnS/PU、單層二氧化硅 / PU、多層二氧化硅 / PU 和 ZnS/PU 多層機械變色光子晶體(MPCs)的結(jié)構(gòu)示意圖及對應(yīng)的截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像;(B) MPCs 的照片;(C) MPCs 的散射強度隨 β 的變化關(guān)系;(D) MPCs 的透射率。


4 機械變色現(xiàn)象。(A) 沿拉伸方向觀察時,機械變色光子晶體(MPC)拉伸引起的顏色變化示意圖及對應(yīng)的 (B) 照片和 (C) 散射光譜;(D) 垂直于拉伸方向觀察時,MPC 拉伸引起的顏色變化示意圖及對應(yīng)的 (E) 照片和 (F) 散射光譜;(G?H) MPC 在原始狀態(tài)和拉伸狀態(tài)下的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像;(I) 散射波長隨循環(huán)次數(shù)和應(yīng)變的變化關(guān)系。


  綜上所述,本研究通過將硫化鋅(ZnS)顆粒自組裝成單層密堆積多晶結(jié)構(gòu),并填充聚氨酯(PU),成功制備了一種具有明亮機械變色散射結(jié)構(gòu)色的新型 ZnS/PU 機械變色光子晶體(MPC)。該 MPC 具有以下特性:(1)由于平面晶格對正向散射光的獨特衍射作用,呈現(xiàn)出虹彩散射結(jié)構(gòu)色;(2ZnS 顆粒與 PU 之間的高折射率差(Δn)賦予其高色飽和度;(3)基于多晶結(jié)構(gòu)的變形,表現(xiàn)出雙模態(tài)機械變色散射結(jié)構(gòu)色 —— 沿拉伸方向顏色紅移,而垂直方向顏色藍(lán)移。該 MPC 通過呈現(xiàn)多樣的散射顏色,在監(jiān)測膠帶應(yīng)變方面展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。本研究為機械變色光子晶體的設(shè)計與制備開辟了新途徑,深化了對散射結(jié)構(gòu)色調(diào)控的基礎(chǔ)認(rèn)知,有望推動其在視覺傳感、低功耗顯示和防偽等領(lǐng)域的實際應(yīng)用。


  文章以 Brilliant Mechanochromic Scattering Structural Colors為題發(fā)表在: ACS Appl. Mater. Interfaces上。文章通訊作者為廣東工業(yè)大學(xué)楊東朋副教授和國科大杭高院黃少銘教授。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.4c20910

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