光子晶体驱动材料研究取得新进展

光子晶体超浸润性赋予具有独特光学调控性能的光子晶体材料在传感、检测、防污、驱动、油水分离等方面的新应用。中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室江雷团队在具有超浸润性光子晶体的制备及应用方面取得系列进展（Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 6833）。研究人员考察了基底浸润性对乳胶粒的形貌及其分子组装形式的影响（Adv. Mater. Inter., 2015, 1400365；J. Mater. Chem. C, 2015, 3 ,2445；J. Mater. Chem. C., 2018, 6, 3849）；利用界面特殊的浸润性调控，实现了具有特殊光功能的花形（Chem. Commun., 2015, 51 ,1367）及面包形(Chem. Commun., 2016, 52, 3619)的各向异性结构光子晶体制备。制备得到具有良好光波导行为的光子晶体微阵列（ACS Applied. Mater. Interfaces, 2016, 8, 4985）；发展了通过电浸润水刻制备光子晶体图案的新方法(Adv. Funct. Mater., 2017, 1605221)；制备耐溶剂具有防伪特性的户外碳点光学涂层(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2018, 10, 6701，Nanoscale, 2018, 10, 4642) 及形状记忆功能的反蛋白石结构薄膜(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2018, 10, 4243)。

驱动材料因能用于智能机器人、微型生物动态监测等领域而被广泛关注。自然界中比如小麦、松果等很多植物种子的脱落过程就是受湿度变化诱导不均质的体积变化引起。传统驱动材料多是将驱动层和支撑层连接在一起，基于驱动层在外界作用下的体积变化引起驱动。但双层材料驱动器因其双层结构间粘附力差在多次驱动过程中易分离等问题很难多次重复使用，为解决该问题，单一化学组成梯度型驱动材料应运而生。

江雷团队在具有超浸润性光子晶体的制备及应用方面取得系列进展。在此前的工作中，该团队利用所制备的单一材料聚离子液体反蛋白石光子晶体，基于其从表面朝内部的梯度的溶剂去浸润过程实现了驱动现象，光子晶体膜发生卷曲（Chem. Commun., 2016, 52, 5924）。但所制备的光子晶体驱动性能较差，很难满足应用需求。随后通过将液晶单体过度渗透到胶体晶体模板中并随后进行光聚合，制备了具有连续弯曲/去弯曲行为的溶剂响应驱动器(Soft Matter, 2018, 14, 5547)。

近期，理化所光子晶体驱动材料研究又取得新进展，江雷团队研究员王京霞与湖南师范大学教授陈波合作，通过梯度填充法制备了一种Janus 型聚（离子液体-甲基丙烯酸甲酯）共聚物反蛋白石光子晶体膜（图1），该膜上表面聚集亲水的聚离子液体，呈亲水性，而下表面富集疏水的聚甲基丙烯酸甲酯，呈疏水性。所制备样品两面的不同性能主要是由于光照聚合过程中离子液体和甲基丙烯酸甲酯不同的聚合行为而造成的相分离，导致其化学组成沿薄膜厚度方向的梯度分布。所制备薄膜的Janus 性使之遇水蒸气后具有明显的定向弯曲行为，在4s内弯曲角度接近1440o，并伴有亮丽的结构色变化。

薄膜的驱动行为可以通过薄膜的化学组成、孔洞大小及溶剂种类来调节。通过COMSOL模拟了样品的定向驱动性能，并利用单个薄膜（尺寸12mm *3mm* 20 μm）吸水后的驱动行为实现了单根机械轴的运动（图2）。该研究工作为发展新型光子晶体的光学器件提供了借鉴。

相关研究结果以A Hydrophilic/Hydrophobic Janus Inverse-Opal Actuator via Gradient Infiltration 为题发表在ACS Nano（2018, 12,12149-12158）上，并被选为内封面。文章第一作者张大杰为理化所与湖南师范大学联合培养的硕士研究生，共同第一作者刘捷为理化所硕士研究生。

 

图1. 所制备的Janus 型光子晶体膜及封面图片

 

图2. 所制备的Janus 光子晶体膜驱动过程中结构色的变化及驱动过程可以牵引机械轴运动

来源：中国科学院理化技术研究所

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