大连理工大学-基于聚合物的一维光子晶体研究进展

光子晶体是一类介电常数在空间上呈周期性分布的具有光子禁带的材料。当光子禁带落于可见光范围内（380～760nm）会展现出肉眼可见的颜色，被称为结构色。自然界中蝴蝶翅膀、孔雀羽毛等生物组织因为具有天然光子晶体结构才展现出绚丽的色彩。光子晶体结构色具有高亮度、高饱和度、不易褪色等特点，在传感、防伪识别、功能纤维等方面具有广阔的应用前景，是近年来科研领域的热点和前沿科学。根据光子带隙在空间上的分布不同，可将光子晶体分为一维、二维、三维光子晶体。其中，一维光子晶体是最简单的光子晶体，具有制备简便、颜色亮度易调节的特性，近年来有大量相关制备及性能研究报道。而将一维光子晶体与具有功能性的聚合物相结合更是光子晶体研究的热点。本论文《基于聚合物的一维光子晶体研究进展》较系统地总结了近年来基于聚合物的一维光子晶体结构生色材料研究进展。论文从一维光子晶体组装材料角度出发，总结分析了有机/有机型和有机/无机杂化型一维光子晶体的结构特点、组装原理、方法、性能及应用。基于聚合物材料制备的一维光子晶体可以实现多种功能，在柔性传感器、柔性光电器件、光子晶体纸、电子皮肤、3D打印等方面具有良好的应用前景。摘要：从一维光子晶体组装材料角度出发，总结分析了基于聚合物的有机/有机型和有机/无机杂化型一维光子晶体的结构特点、组装原理和方法、性能及应用。在有机/有机型一维光子晶体中，主要介绍了含有不同亲疏水链段的嵌段共聚物和含有可聚合双键的表面活性剂自组装形成的一维光子晶体。在有机/无机杂化型一维光子晶体中，既论述了基于聚合物、无机材料直接交替组装形成的多层膜，也讨论了基于两种无机材料组装，然后再填充柔性聚合物的一维光子晶体。通过对以上两类光子晶体材料的总结分析可知，基于聚合物材料制备的一维光子晶体可以实现多种功能，在柔性传感器、柔性光电器件、光子晶体纸、电子皮肤、3D打印等方面具有良好的应用前景。但目前基于聚合物的一维光子晶体存在组装均匀性有待提高、组装面积较小等问题，如何大规模制备均匀的功能性一维光子晶体是重要的研究方向，也是影响其实际应用的关键。结论与展望一维光子晶体由于结构简单、组装物质丰富、性能优异、组装方法多样简便，因此是一类理想的功能性光子晶体材料。本文基于含有聚合物的一维光子晶体进行论述，从组装材料角度分类，分析总结了这类一维光子晶体的组装、特性及应用。在单纯使用聚合物的有机/有机型一维光子晶体研究中，主要探讨了两种特定结构的聚合物，即含有不同亲疏水链节的二嵌段共聚物和基于表面活性剂的聚合物的结构特点，组装一维光子晶体的原理，及在各种可视化传感、光子晶体纸、构筑3D打印彩色立体图案等方面的研究进展。而有机/有机型一维光子晶体由于折射率差较小，通常要借助溶剂溶胀等方法，调节光子禁带，实现其功能化应用。相比而言，基于聚合物和无机材料的有机/无机杂化型一维光子晶体更利于构筑反射率高、性能稳定的膜材料，而且选材广泛，制备方法较简便。文中总结了多种此类功能材料，包括ZrO2/滑环弹性体纳米复合材料、PpMS-ZrO2/PNIPAM、MOF/TiO2、P(MMA-BA)/TiO2、PANI/聚（N-异丙基丙烯酰胺-氧化石墨烯-丙烯酸），聚碳酸酯和PDMS分别填充的TiO2/SiO2等用于制备有机/无机杂化一维光子晶体的研究进展，这类材料在应力、温度、有机蒸气传感、柔性超级电容器、紫外防护、太阳能电池等领域具有较好的应用价值。另外，通过组装材料的改变，引入其他功能聚合物，构筑具有新型功能性的一维光子晶体材料，拓宽应用领域，将是此类材料的研究方向；此外，由于某些基于聚合物材料构筑的一维光子晶体具有靓丽的颜色和柔韧性，因此,可以设计将其用于纺织纤维等柔性基材的着色，作为传统纺织染料、颜料的替代品，实现更加安全、环保、稳定的着色，这也是一维光子晶体的重要研究方向。目前研究的基于聚合物的一维光子晶体薄膜多以小面积组装为主，而且组装均匀性有待提高，如何大规模制备均匀的功能性一维光子晶体是需要解决的问题，其有效实施将为这类一维光子晶体材料的应用奠定基础。图文导读一维光子晶体结构示意图光子凝胶膜受压变形示意图(a)；当压力改变时光子凝胶膜变形区域颜色变化(b)温度升高时PS-b-P2VP反射光变化示意图(a)；PS-b-P2VP在不同温度下的数码照片和反射光谱图(b)施加电压时，一维光子晶体结构变化示意图(a)；不同电压下，光子晶体颜色变化的数码照片(b)拉伸时一维光子晶体颜色变化的数码照片(a)；反射光谱的变化(b)PDGI/PAAm水凝胶自组装示意图不同拉伸状态下PDGI/PAAm2凝胶颜色变化的光学照片(a)；不同拉伸状态下的反射光谱(b)1DPC在压力增大时的反射光谱(a)；当拉伸应变由0增大至42%时，1DPC颜色的变化(b)升高温度时光子晶体颜色变化的数码照片(a)；ZrO2引入前后反射光谱的对比(b)柔性超级电容器