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東北林業(yè)大學劉守新教授團隊《Mater. Horiz.》：機械和熱響應的纖維素手性光子水凝膠用于動態(tài)防偽與光子皮膚
2025-01-26  來源：高分子科技

  自然界中，變色龍能夠通過改變皮膚表面的微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)變色，以適應周圍環(huán)境的變化。受此啟發(fā)，研究人員利用有機液晶和反蛋白石材料的有序結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一系列刺激響應型（PH、溫度、溶劑、壓力等）結(jié)構(gòu)色材料。然而，上述材料制備工藝相對復雜，還會造成環(huán)境污染等問題。此外，傳統(tǒng)的刺激響應型結(jié)構(gòu)色材料微結(jié)構(gòu)和顏色難以精確調(diào)控，限制了其應用的拓展。羥丙基纖維素（HPC）作為一種環(huán)境友好型的纖維素衍生物，能在特定條件下形成液晶并產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，具有良好的機械性能，適用于3D打印和紡絲等領域。當前，缺乏對HPC手性結(jié)構(gòu)與圓偏振光學特性的關聯(lián)研究，此外，HPC材料的機械響應光學機制需要進一步探討。


  針對上述挑戰(zhàn)，東北林業(yè)大學劉守新教授團隊采用光交聯(lián)策略將HPC與丙烯酰胺（AM）結(jié)合，成功制備了具有可調(diào)諧和多重響應特性的纖維素結(jié)構(gòu)色光子水凝膠。HPC水凝膠能夠反射右旋圓偏振光，其結(jié)構(gòu)色可通過紫外光照射時間精確調(diào)控。同時，光交聯(lián)制備的HPC水凝膠具有溫度和力學雙響應的結(jié)構(gòu)色光學特性。此外，HPC光子水凝膠在拉力作用下，展現(xiàn)了從圓偏振光反射到線偏振光反射的可逆轉(zhuǎn)換。基于刺激響應的光學特性，HPC水凝膠被開發(fā)為機械響應的圓偏振加密標簽、熱致變色安全標簽以及機械手的光子皮膚。這項工作表明纖維素結(jié)構(gòu)色水凝膠在多功能傳感和光學顯示領域具有巨大的應用潛力。這項研究成果以“Mechanical and thermal responsive chiral photonic cellulose hydrogels for dynamic anti-counterfeiting and optical skin” 為題發(fā)表在《Materials Horizons》雜志上。文章第一作者為東北林業(yè)大學碩士研究生李寶琦，通訊作者為東北林業(yè)大學劉守新教授、李偉教授和徐明聰教授。該研究工作得到了“十四五”國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中國博士后面上基金等項目的支持。


圖1. a) 基于HPC光子水凝膠的光和機械力響應的手性結(jié)構(gòu)及光學性質(zhì)變化示意圖。b) 基于HPC光子水凝膠的溫度和濃度響應結(jié)構(gòu)變化示意圖。c) 機械和熱響應HPC光子水凝膠在動態(tài)防偽及機械手的光子皮膚應用。


圖2. HPC/AM水凝膠的光學性質(zhì)。a) 不同濃度下HPC/AM光子水凝膠的熱響應特性。b) 不同溫度下不同濃度的HPC/AM水凝膠的反射波長。c) 20℃時，不同濃度HPC/AM水凝膠的CD光譜。


圖3. 通過光交聯(lián)聚合策略實現(xiàn)HPC/PAM水凝膠的結(jié)構(gòu)色變化。a) 不同UV曝光時間下的HPC/PAM樣品的照片。b) 不同UV曝光時間下的HPC/PAM樣品的歸一化反射光譜。c) 不同UV輻照時間下的HPC/PAM樣品的CD光譜。d) 未交聯(lián)HPC/AM樣品的POM圖像。e) UV輻照15秒交聯(lián)后的HPC/PAM樣品的POM圖像。f) 未交聯(lián)HPC/AM樣品的SEM圖像。g) UV輻照15秒交聯(lián)后的HPC/PAM樣品的SEM圖像。


圖4. HPC水凝膠的熱致變色特性。a) 光交聯(lián)后，在不同溫度下的HPC/PAM水凝膠的照片。b)光交聯(lián)后，不同溫度下HPC/PAM水凝膠的歸一化反射光譜。c) 不同聚合時間HPC/PAM水凝膠在不同溫度下的反射峰變化。d) HPC/PAM水凝膠經(jīng)過熱/冷循環(huán)測試的最大反射峰位置。


圖5. 彈性HPC結(jié)構(gòu)色水凝膠材料的機械響應光學性質(zhì)。a) 彈性HPC水凝膠材料在拉伸和壓縮力作用下的示意圖。b) 不同拉伸應變下彈性HPC水凝膠材料的顏色變化圖像。c) 不同壓力應變下彈性HPC水凝膠材料的光學圖像。d) 不同拉伸應變下彈性HPC水凝膠的反射光譜。e) 不同壓力下彈性HPC水凝膠的反射光譜。


圖6. 彈性HPC結(jié)構(gòu)色水凝膠材料的圓偏振光學特性。a) 在RCP和LCP下觀察到的不同應變程度的HPC水凝膠的圖像。b) 不同應變程度HPC水凝膠的CD光譜。


圖7. HPC結(jié)構(gòu)色水凝膠材料的多重應用展示。a) 用于機械誘導的圓偏振圖案化動態(tài)防偽。b) 用于熱致變色安全圖案化標簽。c) i, 用于機械手的光子皮膚。ii, 基于光子皮膚顏色變化識別機械手的抓握動作。iii, 不同溫度下機械手光子皮膚的照片和紅外熱成像圖像。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4MH01646G


  下載：Mechanical and thermal responsive chiral photonic cellulose hydrogels for dynamic anti-counterfeiting and optical skin

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（責任編輯：xu）
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