結(jié)構(gòu)色是指光波發(fā)生折射、反射、衍射或干涉后而產(chǎn)生的各種顏色。與色素色相比，結(jié)構(gòu)色的成色過程不依賴于任何染料分子，同時也不涉及光子能量的吸收與激發(fā)。其具有顯色持久，顏色純度高，環(huán)？沙掷m(xù)等特點。近年來，各種刺激響應(yīng)性人工結(jié)構(gòu)色材料層出不窮，并成功應(yīng)用于傳感檢測、節(jié)能顯示和防偽加密等領(lǐng)域。這些人工材料中的結(jié)構(gòu)色通常由光刻、膠體自組裝和嵌段共聚物相分離等方法來實現(xiàn)。但是價格昂貴的光刻機和多步繁瑣的組裝過程并不適合人工結(jié)構(gòu)色材料的大規(guī)模制備，嚴重阻礙了其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。除此之外，與機械力、溫度和蒸汽等傳統(tǒng)刺激源相比，可見光作為一種清潔能源，其時間可控性和空間指向性更強，對材料的破壞能力更弱，因此更適合作為一種新型刺激源來調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)色變化過程。
近日，清華大學許華平教授課題組通過向非晶型形狀記憶聚合物網(wǎng)絡(luò)中引入可見光響應(yīng)的二硒動態(tài)共價鍵，成功制備出具有可見光響應(yīng)性的結(jié)構(gòu)色材料。該材料的結(jié)構(gòu)色來源于材料在取向狀態(tài)下的雙折射過程。在偏振場下，尋常光和非尋常光的干涉波長與材料的取向程度有關(guān)，即與材料內(nèi)應(yīng)力的大小有關(guān)。通過在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以上進行拉伸，之后冷卻至室溫來對材料進行取向并固定材料中的內(nèi)應(yīng)力，賦予材料一種背景結(jié)構(gòu)色。然后利用掩模板在材料表面的特定位置施加可見光輻照，在有輻照的區(qū)域二硒鍵會發(fā)生動態(tài)共價交換反應(yīng)，從而實現(xiàn)材料的可控應(yīng)力松弛。形狀記憶聚合物中的應(yīng)力松弛能夠在維持材料表面平整度不變的情況下，改變材料中特定位置的取向狀態(tài)，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色圖案化過程。
圖1材料的形狀記憶和可見光觸發(fā)應(yīng)力松弛性能的表征
圖2 材料的透射波長與內(nèi)應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系
由于二硒動態(tài)交換反應(yīng)的反應(yīng)速率與輻照波長相關(guān)，因此通過施加不同波長、相同時間的可見光輻照，可以在材料中形成一系列不同取向狀態(tài)的微區(qū)，從而實現(xiàn)彩色結(jié)構(gòu)色圖案。除此之外，通過對材料中不同區(qū)域施加同一波長、不同時間的可見光輻照，同樣也可以實現(xiàn)彩色圖案化過程。該輻照過程可以通過一臺商業(yè)化的投影儀來實現(xiàn)，通過對軟件進行編程可以使得照射過程自動進行，無需人為干預(yù)，因此該圖案化過程相對簡單并且不受空間地域的限制。由于圖案的顏色與材料的內(nèi)應(yīng)力大小直接相關(guān)，因此材料中的圖案一旦形成之后還可以進行光擦除，并經(jīng)過重新拉伸之后可以再次實現(xiàn)圖案化過程。
圖3 利用掩模板對材料進行圖案化以及圖案的光照擦除過程
圖4 利用二硒鍵的波長響應(yīng)性對材料進行彩色圖案化
該方法所需材料易于制備，圖案化方法簡單可控，圖案化材料可循環(huán)利用。其在防偽加密、節(jié)能顯示和光學數(shù)據(jù)存儲等方面具有很大的應(yīng)用前景。
該成果近期發(fā)表在Advanced Materials上，清華大學博士研究生劉誠為文章的第一作者，許華平教授為通訊作者。
原文標題：Tunable structural color patterns based on the visible-light-responsive dynamic diselenide metathesis
原文作者：Cheng Liu, Zhiyuan Fan, Yizheng Tan, Fuqiang Fan and Huaping Xu*
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