中国科学院化学研究所绿色印刷实验室宋延林

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《先进功能材料》高亮度无角度依赖结构色湿度传感器

极具吸引力的作品，往往是艺术和科学的完美结合。比如，将来您办公室墙壁上挂着的一幅漂亮的油画，它可以随环境变化改变其色彩，反过来，这种色彩的变化又能指示您房间当前所处的环境。这幅装饰性的油画既是艺术品，同时又是环境传感器。河北师范大学的周金明教授和中科院化学所的宋延林研究员等合作开发出了一种兼具艺术性和科学性的高亮度无角度依赖结构色湿度传感器。

非彩虹色结构色，源自于一种特殊的长程无序、短程有序的光学结构，具有色彩不随观察角度变化的特点，在颜料、显示、传感等领域具有诱人的应用前景。但目前其结构色色彩亮度普遍偏低的问题，严重限制了其在实际中的广泛应用。研究团队将石墨烯纳米片和石墨烯量子点引入光学结构，利用石墨烯纳米片的均匀吸光性质消除了无序光学结构引起的非相干散射，提高了结构色的色彩饱和度；同时借助石墨烯量子点随激发波长可调节的光致发光性质及其与光学结构引起的赝光子带隙的相互作用，实现了石墨烯量子点发光和赝光子带隙间的自动波长匹配，进而通过石墨烯量子点的发光自动对波长涵盖整个可见区的无角度依赖结构色的亮度进行了有效补偿。引入石墨烯量子点后，结构色薄膜反射光谱的峰成分与仅添加石墨烯纳米片的薄膜相比提高了~2.3倍。

图1 高亮度非彩虹色结构色薄膜的制备及表征。 （A）制备过程示意图； （B）、（C）、（D）依次是无添加物、添加石墨烯纳米片、添加石墨烯纳米片和石墨烯量子点的结构色薄膜的数码照片；（E）、（F）相应的反射光谱和光学结构。

在此基础上，利用无序光学结构作为模板，通过填充聚丙烯酰胺水凝胶，研究团队展示了一种具有湿度响应性的结构色纳米复合薄膜。薄膜的色彩可随环境湿度的变化而发生变化，根据结构色色彩的变化还可以指示环境的湿度变化。由于此结构色与观察角度无关，所以与传统光子晶体传感器相比，本研究报道的湿度传感器具有更简便、准确的特点，因为其避免了观察角度引起的色彩的变化的所引起的困扰。本研究将有效推动无角度依赖结构色材料的在智能颜料、新型可视化传感器等领域的广泛应用。

图2 高亮度非彩虹效应结构色湿度传感器

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201802585