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 【摘要】

使用形狀記憶光子晶體制備的響應(yīng)材料在可重寫光子器件、安全特征和光學涂層中具有潛在的應(yīng)用。最近，英屬哥倫比亞大學Mark J. MacLachlan教授團隊通過將手性向列纖維素納米晶體 (CNC) 嵌入聚丙烯酸酯基質(zhì)中，形狀記憶光子晶體熱塑性塑料 (CNC-SMP) 可以可逆地捕獲不同的顏色狀態(tài)。

在該系統(tǒng)中，溫度用于對形狀記憶響應(yīng)進行編程，而壓力用于壓縮 CNC 手性向列組織的螺距。通過增加施加的力（≈140-230 N），結(jié)構(gòu)顏色可以從紅色調(diào)整為藍色。然后，根據(jù)需要，CNC-SMP 可以通過將其加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上來恢復(fù)到其原始狀態(tài)。該循環(huán)可以執(zhí)行 15 次以上，而不會損失任何形狀記憶行為或樣品的機械退化。此外，通過使用帶圖案的基板按壓樣品，可以將多色讀數(shù)編程到手性向列型 CNC-SMP 中，而 CNC-SMP 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以通過改變使用的單體組成在 90 °C 范圍內(nèi)進行調(diào)整制備聚丙烯酸酯基質(zhì)。相關(guān)論文以題為Shape-Memory Photonic Thermoplastics from Cellulose Nanocrystals發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

【主圖導(dǎo)讀】

圖1 手性向列 CNC-SMP 的順序編程和恢復(fù)的示意圖。簡而言之，i) 將 CNC-SMP 加熱到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以上，軟化 SMP 基質(zhì)；ii) 壓制軟化的 CNC-SMP 會降低嵌入的手性向列型 CNC 的螺距，改變材料的結(jié)構(gòu)顏色；iii) 將材料冷卻至其 Tg以下，同時在壓力下，將 CNC-SMP 鎖定在其新構(gòu)象中并捕獲著色狀態(tài)；iv) 根據(jù)需要，CNC-SMP 可以通過加熱 (T>Tg) 恢復(fù)，這允許 SMP 恢復(fù)其原始形狀和顏色。

圖2 手性向列型 CNC-SMP 的4步制備示意圖。通過水蒸發(fā)制備手性向列 g-CNC 薄膜，然后用 DMSO (SOAK1) 溶脹薄膜，單體滲透 (SOAK2)，然后熱聚合以產(chǎn)生手性向列型 CNC-SMP。SOAK1 = 25 mg mL-1 AIBN/DMSO 溶液，SOAK2 = 甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、DMSO、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺、UPyMA、AIBN（1:0.4:0.3:0.007:0.004:0.001 摩爾比）。

圖1 具有可逆可見顏色的手性向列型 CNC-SMP 的表征。a) 施加機械應(yīng)力時 CNC-SMP 發(fā)生的情況的示意圖。b-e) 在 b) 0 N、c) 140 N、d) 180 N 和 e) 230 N 處壓制的 CNC-SMP 的照片。f) 壓制的 CNC-SMP 的歸一化 UV-vis 吸收光譜†；λmax = 493、576 和 719 nm（從左到右）。g) 壓制的 CNC-SMP 的歸一化圓二色光譜†；λmax = 458、567 和 705 nm（從左到右）。比例尺 = 1 厘米。

圖2 CNC-SMP 在 200 N 壓力下的循環(huán)性能。a-e) 手性向列 CNC-SMP 復(fù)合材料的圖像 a) 壓制前，b) 第三次壓制，c) 從第八次周期恢復(fù)，d) 壓制到第十一次周期和 e) 從第十五次周期恢復(fù)。f) 繪制 CNC-SMP 在 15 個周期內(nèi)按下和恢復(fù)狀態(tài)的平均 RGB 值的圖表。g) 繪制了 CNC-SMP 在 15 個周期內(nèi)按下和恢復(fù)狀態(tài)的面積變化的圖表。h,i) CNC-SMP 復(fù)合材料在 h) 壓制狀態(tài)（第 11 次循環(huán)）和 i）恢復(fù)狀態(tài)（第 15 次循環(huán)）中的顏色分布的圖形表示。比例尺 = 1 厘米。

圖3 CNC-SMP 復(fù)合材料印有加拿大鎳的圖像，a) 未壓制，b) 壓制和 c) 恢復(fù)。d) 用于壓印的鎳的圖像。比例尺 = 1 厘米。

【總結(jié)】

該團隊制備了一種手性向列型 CNC-SMP 來生產(chǎn)具有形狀記憶的熱塑性塑料，這與可見顏色的可逆變化有關(guān)。CNC-SMP 的光學性能通過反射光學顯微鏡、紫外-可見光譜和 CD 光譜表征，而 2D-XRD 用于研究微觀結(jié)構(gòu)。當 CNC-SMP 被加熱到高于其 Tg并被壓縮時，顏色會隨著壓力的增加從紅色變?yōu)榫G色到藍色，這是由于在施加機械應(yīng)力時手性向列組織的螺距被壓縮。該過程可以執(zhí)行 15 次以上，而不會損失任何形狀記憶行為或樣品的機械退化。此外，通過使用帶圖案的基板按壓樣品，可以將多色讀數(shù)編程到手性向列 CNC-SMP 中。制備具有可逆可見顏色和手性向列形狀記憶的手性向列型 CNC-SMP 的能力增加了不斷增長的響應(yīng)光子晶體復(fù)合材料庫。這些反應(yīng)靈敏的形狀記憶熱塑性塑料可能具有作為溫度指示器、壓力傳感器和智能包裝的潛在應(yīng)用。

參考文獻：

doi.org/10.1002/adfm.202103268