在數億年的進化中，自然界中的諸多生物演化出了獨特的光子結構色，它們為生物的生存和發展提供了特殊功能。相比於傳統染料，這種光子晶體結構色具有綠色無汙染、不褪色、色彩飽和度高、虹彩現象等特點，得到了人們極大地關注。最近，精細化工國家重點實驗室張淑芬團隊牛文斌教授在光子晶體結構色及其在智慧感知應用開發方面取得了系列創新性研究進展。
頭足類生物的面板內有反射板以週期性排列在一起形成生物光子奈米結構，這種超微結構與入射光發生物理作用，反射特定光波，在視覺上呈現虹彩結構色，在其隱身能力中發揮了重要作用。這些頭足類海洋生物能夠根據行為、環境在幾秒到幾分鐘之內改變反射板的折射率和板厚（即晶格間距），控制自身顏色的變換。透過模擬這種結構，大連理工大學牛文斌教授等人開發出了一種兼具光學和電學雙訊號同步輸出的多功能仿生變色離子面板（CIskin），實現了包括拉伸、壓力、溫度、紅外光在內的四重外部刺激的視覺化感知。與目前已報道的仿生電子面板相比，該CIskin不僅展現出快速的電學/變色同步響應特性，特別是實現了對外部刺激空間分佈的視覺化，突破了柔性電子學器件難以直接視覺化互動的瓶頸，為新興柔性電子學的發展提供了新思路。研究成果以題為“Cephalopod-Inspired Chromotropic Ionic Skinwith Rapid Visual Sensing Capabilities to Multiple Stimuli”發表在ACS Nano (2021, DOI:10.1021/acsnano.1c00181）上。
將仿生光子晶體結構色與織物結合，是構建可穿戴織物材料、推動結構色材料實用化的有效途徑。因此，團隊利用光子晶體帶隙和氫鍵之間的協同作用，首先將三維光子晶體結構固定在氫鍵型超分子彈性體中，製備了具有優良力致變色特性和機械效能的光子彈性體；而後，利用原子層沉積技術在多級微結構的滌綸織物纖維表面化學共軸生長一層透明導電的鋁摻雜氧化鋅薄膜，得到了導電滌綸織物；最後，將三維光子晶體結構半嵌入到上述織物結構中，成功構造了一種在應變施加時具有快速和持久穩定的光電雙響應的新型電子織物，並展示了它們在視覺化可穿戴器件中的應用，為基於織物的視覺化互動式感測器的實現開闢了新的道路。相關成果以“Interactively mechanochromic electronic textile sensor with rapid and durable electrical/optical response for visualized stretchable electronics” 為題，近日發表在 Chemical Engineering Journa (2021, DOI:10.1016/j.cej.2021.130870）上。
光子晶體結構色材料在長期的使用過程中不可避免的會受到外力破壞，這會導致效能降低、甚至功能喪失。針對上述問題，牛文斌教授等人透過設計合成動態共價鍵網路Vitrimer並引入光子晶體結構中，利用光子晶體帶隙和動態共價網路的協同作用，將三維光子晶體結構固定在Vitrimer網路中，從而構建出力學效能優良的Vitrimer光子彈性體。該光子vitrimer彈性體具有良好的機械顯色性、優異的力學效能和自愈能力，並可作為一種視覺化的人機互動感測器件用於跟蹤人體運動。該器件可透過肉眼直接可見的顏色變化，實時感知外界的應變和應力，實現了使用者與裝置的直接智慧互動。相關成果以“Photonic Vitrimer Elastomer with Self-Healing, High Toughness, Mechanochromism, and Excellent Durability based on Dynamic Covalent Bond”為題，發表在Advanced Functional Materials（2021, DOI：10.1002/adfm.202009017）上。
柔性光子晶體纖維在通訊、生物醫學、智慧穿戴材料等領域廣泛應用，然而，製備具有適應性、多功能、高效能的柔性光子纖維一直是一個巨大的挑戰。牛文斌教授等人透過在透明的聚酯纖維表面共軸生長Al2O3/ZnO一維光子晶體殼層，構建了新型的兼具光學和電學功能的形狀記憶光子晶體光纖（SMPF）。該光子晶體光纖有可調諧的結構顏色、各向異性的光學反射特性和優異的機械穩定性，特別是，表現出了獨特的形狀記憶能力。這在以前的光子晶體光纖中很難實現。得益於光子帶隙和形狀記憶能力，這些SMPF能夠應用於光波導，引導光束沿著特定通道進入生物組織深層，用於深部組織成像和光療等。此外，氧化鋅材料的光電、熱釋電效應，使其可以用作形狀記憶溫度感測器件，用於實時動態監測口呼吸、鼻呼吸和紅外光。該工作為構建柔性多功能光子纖維提供了一個通用平臺，並在生物組織深部的光動力治療、可穿戴電子器件和智慧機器等領域具有廣闊的應用前景。相關成果以Flexible Multifunctional Photonic Crystal Fibers with Shape Memory Capability for Optical Waveguides and Electrical Sensors為題，近日發表在Industrial & Engineering Chemistry Research (2021, https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01153）上。
碳纖維是一種導電導熱、輕質、高強、耐腐蝕等的戰略性新材料，然而其片狀石墨微晶結構導致表面化學惰性和高結晶度，傳統有機分子染料根本無法對其著色，只能呈現黑色。牛文斌教授等先透過等離子表面活化，進而原子層沉積共軸化學生長一層均勻氧化鋅，利用薄膜干涉原理，產生結構色，賦予了碳纖維亮麗顏色；透過調節薄膜厚度，獲得了一系列連續可控的彩色碳纖維。在上述基礎上，進一步利用氧化鋅固有的熱釋電、壓電等特性，將其與柔性導電薄膜ITO/PET結合，設計構建了一種新型彩色碳纖維的單根纖維微感測器件。該微感測器可以對外界UV、溫度和紅外光進行檢測，並具有高柔性、彩色、多功能、小型化的特點，可進一步與其他器件或電路整合，極大的拓展了上述彩色碳纖維材料的應用範圍。相關成果以Highly Flexible, Multicolored, and Multifunctional Single-Fiber-Based Microsensors for UV, Temperature, and Infrared Detection為題，近日發表在Industrial & Engineering Chemistry Research (2021, DOI:10.1021/acs.iecr.1c02166）上。
上述論文的第一作者為分別為博士生王雲朋、趙凱，以及碩士生操先飛、程潔，通訊作者為團隊牛文斌教授。工作得到了國家自然科學基金（22078048）、大連市創新研究計劃(2019RQ142,2019RD06)專案的支援。
來源：大連理工大學
