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中科院化學(xué)所趙寧研究員/徐堅(jiān)研究員課題組:基于液體浸潤(rùn)氣凝膠的雙重可調(diào)控結(jié)構(gòu)色
2020-02-12  來(lái)源:高分子科技
關(guān)鍵詞:氣凝膠 結(jié)構(gòu)色

  結(jié)構(gòu)色(structural color)是光入射到具有特定微觀結(jié)構(gòu)的物體上時(shí),由光的散射、干涉或衍射作用而產(chǎn)生的顏色。自然界中鳥(niǎo)類(lèi)的羽毛以及昆蟲(chóng)的翅膀常常顯示出艷麗多彩的結(jié)構(gòu)色,人造結(jié)構(gòu)色則多由單分散膠體顆粒的規(guī)則排列、表面活性劑的組裝、液晶、或聚合物相分離來(lái)呈現(xiàn)。由于無(wú)需顏料或外部能量輸入,結(jié)構(gòu)色可以持久、穩(wěn)定地存在。鑒于其在生化傳感、裝飾顯示以及多種智能系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景,關(guān)于可調(diào)控的結(jié)構(gòu)色的研究一直備受關(guān)注。

  中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所趙寧研究員/徐堅(jiān)研究員課題組通過(guò)在橋聯(lián)倍半硅氧烷氣凝膠注入特定折射率的液體,首次呈現(xiàn)了一種對(duì)于溫度和注入液體折射率具有雙重響應(yīng)性結(jié)構(gòu)色,這一現(xiàn)象還被用于氣凝膠三維微觀結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易表征。相關(guān)工作“Dual-Tunable Structural Colors from Liquid-Infused Aerogels”發(fā)表在Advanced Optical Materials上,論文第一作者為王真博士

圖1. (a)示意圖:氣凝膠漫反射光波而呈現(xiàn)不透明白色,浸入液體后呈現(xiàn)半透明結(jié)構(gòu)色;(b-d)氣凝膠的結(jié)構(gòu)表征;(e-g)浸入液體后樣品的表征。

  在浸入苯乙烯后,氣凝膠由白色(圖1b)轉(zhuǎn)變?yōu)榘胪该鞯淖仙▓D1e),其顏色不隨觀察角度而變化(圖1f),表明其顏色來(lái)源于光的散射。半透明的樣品可以透過(guò)長(zhǎng)波長(zhǎng)的可見(jiàn)光,從而使得研究人員可以通過(guò)共聚焦激光顯微技術(shù)來(lái)觀察凝膠的三維骨架結(jié)構(gòu)(圖1g)。這種光學(xué)手段重構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)便易得,為研究氣凝膠骨架結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系提供了一種新的解決方案。

圖2. (a)氣凝膠骨架尺寸和折射率隨溫度的變化;(b)浸入液體苯乙烯的折射率隨溫度的變化;(c)不同溫度下,苯乙烯浸入樣品的透過(guò)率曲線;(d)樣品最大透過(guò)波長(zhǎng)及其對(duì)應(yīng)的顏色與溫度的關(guān)系。

  浸入苯乙烯后,樣品呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)色隨溫度而可逆變化。其溫度敏感性來(lái)自于氣凝膠骨架尺寸、骨架折射率、苯乙烯折射率的影響(圖2a,b)。研究人員建立了最大透過(guò)波長(zhǎng)與溫度的函數(shù)關(guān)系,輔之以視覺(jué)顏色變化,實(shí)現(xiàn)了定性、定量的溫度感應(yīng)(圖2c,d)。

圖3. (a,b)浸入不同折射率液體樣品的透過(guò)率與顏色;(c)人造凝膠彩虹的照片;(d)樣品顏色在CIE 1931色彩空間中的分布。

  通過(guò)改變浸入液體的折射率,樣品同樣可呈現(xiàn)類(lèi)似的顏色變化(圖3a,b,d)。這也表明浸入液體的折射率是前述溫敏變色的決定性因素。在三塊氣凝膠中注入三種折射率的液體,研究人員還得到了栩栩如生的人造凝膠彩虹。

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.201901825

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