【摘 要】
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响应性光子晶体(RPCs)因光子带隙的刺激可调性,在信息编码、智能显示、生物医学、化学传感以及软体驱动等领域应用广泛。尽管液体浸润对RPCs光子带隙的调控方法和光路操纵行为被广泛报道,但仍然存在一些尚需解决的问题,例如,反蛋白石光子晶体中单-双带隙的可逆切换,光源方向上的光操纵行为,以及气-液体系中光子晶体表面的气泡反浸润行为等。本论文采用二氧化硅(SiO2)蛋白石模板,通过光固化不同种类的丙烯酸
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目(21536002、21978041); 国家自然科学委员会创新群体(21421005); 教育部长江学者创新团队(IRT-13R06); 大连市高层次人才创新支持项目(2019RD06); 兴辽英才(1801006);
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响应性光子晶体(RPCs)因光子带隙的刺激可调性,在信息编码、智能显示、生物医学、化学传感以及软体驱动等领域应用广泛。尽管液体浸润对RPCs光子带隙的调控方法和光路操纵行为被广泛报道,但仍然存在一些尚需解决的问题,例如,反蛋白石光子晶体中单-双带隙的可逆切换,光源方向上的光操纵行为,以及气-液体系中光子晶体表面的气泡反浸润行为等。本论文采用二氧化硅(SiO2)蛋白石模板,通过光固化不同种类的丙烯酸酯和氢氟酸刻蚀,在薄膜的正面或正反面构筑了多种浸润性调控的反蛋白石光子晶体,利用反蛋白石或双层反蛋白石光子晶体的浸润响应研究了上述问题,具体如下:在光子带隙调控方面,提出了三种单-双带隙的调控方法,以乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)、聚乙二醇(200)二丙烯酸酯(PEGDA)和丙烯酸(AA)为填充单体材料,制备了正面为“厚度可变层”,反面为“固定厚度层”的双层反蛋白石光子晶体(PEPA膜),利用反蛋白石的散射效应建立了两种调控单-双带隙的方法:一是翻转双层体系,当“厚度可变层”的厚度达到~10.26μm时,从“厚度可变层”观测,光谱呈现单带隙,从“固定厚度层”观测,光谱呈现双带隙;二是液体浸润响应,利用浸润阈值(即液体接触角等于颈部角,为~30°),用乙醇分别润湿双层体系的正反面,由于折射率匹配,可以解除对应反蛋白石的散射,实现了单-双带隙之间的可逆切换,以及正反面带隙的可逆切换。进一步以ETPTA、PEGDA、AA和甲基丙烯酸丁酯(BMA)为填充单体材料,构筑了形状记忆双层反蛋白石光子晶体(PEPAB膜),提出第三种调控单-双带隙的方法,利用压力诱导反蛋白石孔变形将浸润阈值提升至~73°以上,通过水浸润响应解除散射,实现单-双带隙的切换及单色向多色输出的转换,用于防伪和信息编码领域。在光路操纵方面,以ETPTA、PEGDA、AA和四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯(PETMP)为填充单体材料,构筑了反蛋白石光子晶体光开关(PEPAP膜),在57.5°入射角和47.5°检测角时,孔径为~284、~350、~395和~441 nm的反蛋白石在光源方向上对应的最大衍射波长分别为~440、~525、~595和~635 nm,对应蓝色、绿色、黄色和红色,具备角度依赖性,沿薄膜平面旋转时,可以周期性打开和关闭衍射光,周期为60°;结合反蛋白石的散射效应,构筑了反蛋白石厚度不同的双层光子晶体光开关,从较薄/较厚层观测时,结构色旋转再现周期为30°/60°;利用p H对浸润性的调控,可以编码和擦除隐形图案,浸入水中后,衍射强度被削弱~2/3,显示图案,具备旋转周期性显示和隐藏性能。随后,将平面外衍射与浸润性调控的镜面反射相结合,制备了道路交通指示牌(PEPB膜),模拟了交通信号输出,建立了用于雨天山体滑坡风险评估的警示模块,利用平面外衍射的旋转周期性和角度依赖性制备了具备闪烁变色特性的限速标识和广告牌。针对光子晶体表面的气泡反浸润研究问题,以ETPTA、PEGDA、BMA、丙烯酸羟乙酯(HEA)和活性二氧化锰(Mn O2)为填充材料,将Mn O2负载于反蛋白石的下表面,制备了结构色传感器(PEPBH膜),以Mn O2催化双氧水分解产生的氧气作为气泡来源,利用结构色揭示了大孔材料内的气-液交换,并实时监测了气泡的演化过程。气-液交换导致反蛋白石的有效折射率变化,最大反射波长位移值可达~50 nm,通过压力诱导反蛋白石孔变形可以增强表面浸润性,促进气-液交换,进而增大相关的色彩对比度,~75 k Pa压力对应的最大反射波长位移值可达~65 nm,变形的反蛋白石孔可以通过乙醇润湿来恢复形貌,具备循环利用性。进一步通过刮除反蛋白石结构获得了对应的2D光子晶体,在2D光子晶体表面,压力诱导表面变形后,气泡的接触角从~150.6°降低到~141°,粘附力从~142μN增加到~423μN,平均气泡直径从120μm增加到630μm,应用于液体内的气泡操纵。以上性质均可以进一步扩展应用于Mn O2-双层反蛋白石光子晶体复合膜。
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