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東北林業(yè)大學(xué)劉守新教授團(tuán)隊(duì)《Mater. Horiz.》：機(jī)械和熱響應(yīng)的纖維素手性光子水凝膠用于動(dòng)態(tài)防偽與光子皮膚
2025-01-26  來(lái)源：高分子科技

  自然界中，變色龍能夠通過(guò)改變皮膚表面的微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變色，以適應(yīng)周?chē)h(huán)境的變化。受此啟發(fā)，研究人員利用有機(jī)液晶和反蛋白石材料的有序結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了一系列刺激響應(yīng)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(duì)復(fù)雜，還會(huì)造成環(huán)境污染等問(wèn)題。此外，傳統(tǒng)的刺激響應(yīng)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(yīng)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(jī)械性能，適用于3D打印和紡絲等領(lǐng)域。當(dāng)前，缺乏對(duì)HPC手性結(jié)構(gòu)與圓偏振光學(xué)特性的關(guān)聯(lián)研究，此外，HPC材料的機(jī)械響應(yīng)光學(xué)機(jī)制需要進(jìn)一步探討。


  針對(duì)上述挑戰(zhàn)，東北林業(yè)大學(xué)劉守新教授團(tuán)隊(duì)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(yīng)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(guò)紫外光照射時(shí)間精確調(diào)控。同時(shí)，光交聯(lián)制備的HPC水凝膠具有溫度和力學(xué)雙響應(yīng)的結(jié)構(gòu)色光學(xué)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(yīng)的光學(xué)特性，HPC水凝膠被開(kāi)發(fā)為機(jī)械響應(yīng)的圓偏振加密標(biāo)簽、熱致變色安全標(biāo)簽以及機(jī)械手的光子皮膚。這項(xiàng)工作表明纖維素結(jié)構(gòu)色水凝膠在多功能傳感和光學(xué)顯示領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)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(xué)碩士研究生李寶琦，通訊作者為東北林業(yè)大學(xué)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)博士后面上基金等項(xiàng)目的支持。


圖1. a) 基于HPC光子水凝膠的光和機(jī)械力響應(yīng)的手性結(jié)構(gòu)及光學(xué)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(yīng)結(jié)構(gòu)變化示意圖。c) 機(jī)械和熱響應(yīng)HPC光子水凝膠在動(dòng)態(tài)防偽及機(jī)械手的光子皮膚應(yīng)用。


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


圖3. 通過(guò)光交聯(lián)聚合策略實(shí)現(xiàn)HPC/PAM水凝膠的結(jié)構(gòu)色變化。a) 不同UV曝光時(shí)間下的HPC/PAM樣品的照片。b) 不同UV曝光時(shí)間下的HPC/PAM樣品的歸一化反射光譜。c) 不同UV輻照時(shí)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(shí)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(guò)熱/冷循環(huán)測(cè)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(jī)械響應(yīng)光學(xué)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(yīng)變下彈性HPC水凝膠材料的顏色變化圖像。c) 不同壓力應(yīng)變下彈性HPC水凝膠材料的光學(xué)圖像。d) 不同拉伸應(yīng)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(xué)特性。a) 在RCP和LCP下觀察到的不同應(yīng)變程度的HPC水凝膠的圖像。b) 不同應(yīng)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(yīng)用展示。a) 用于機(jī)械誘導(dǎo)的圓偏振圖案化動(dòng)態(tài)防偽。b) 用于熱致變色安全圖案化標(biāo)簽。c) i, 用于機(jī)械手的光子皮膚。ii, 基于光子皮膚顏色變化識(shí)別機(jī)械手的抓握動(dòng)作。iii, 不同溫度下機(jī)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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