王京霞在光子晶体驱动材料的研究新进展

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 光子晶体超浸润性赋予具有独特光学调控性能的光子晶体材料在传感、检测、防污、驱动、油水分离等方面的新应用（Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 6833）。

  在国家自然科学基金委和中国科学院的大力支持下，理化所仿生材料与界面科学院重点实验室的江雷院士团队科研人员在具有超浸润性光子晶体的制备及应用方面取得系列重要进展。研究人员考察了基底浸润性对光子晶体组装单元-乳胶粒的形貌及其分子组装形式的影响（Adv. Mater. Inter., 2015, 1400365； J. Mater. Chem. C, 2015, 3 ,2445； J. Mater. Chem. C., 2018, 6, 3849）；利用界面特殊的浸润性调控，实现了具有特殊光功能的花形（Chem. Commun., 2015, 51 ,1367）及面包形(Chem. Commun., 2016, 52, 3619)的各向异性结构光子晶体制备。结合超亲水基材及超疏水模板形成的三明治限域作用，制备得到具有良好光波导行为的光子晶体微阵列（ACS Applied. Mater. Interfaces, 2016, 8, 4985）。在此基础上，他们通过调控所制备光子晶体的浸润性，拓展了所制备光子晶体的新应用。利用金属-有机反蛋白石结构在电浸润情况下的独特的形貌演变，发展为水刻制备光子晶体图案的新方法(Adv. Funct. Mater., 2017, 1605221)。通过利用硅烷化碳点的特殊化学组成及闭孔反蛋白石结合引起的亲油不浸润性能，制备耐溶剂的户外光学涂层(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2018, 10, 6701)及防伪图案(Nanoscale, 2018, 10, 4642)。利用PVDF制备温度诱导的形状记忆功能的反蛋白石结构薄膜(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2018, 10, 4243)。

  驱动材料因能用于智能机器人，微型生物动态监测等领域而广泛关注。自然界中比如小麦，松果等很多植物种子的脱落过程就是受湿度变化诱导不均质的体积变化引起。传统驱动材料多是将驱动层和支撑层连接在一起，基于驱动层在外界作用下的体积变化引起驱动。但双层材料驱动器因其双层结构间粘附力差在多次驱动过程中易分离等问题很难多次重复使用，为解决该问题，单一化学组成梯度型驱动材料应运而生。 在他们以前的工作中，利用所制备的单一材料聚离子液体反蛋白石光子晶体，基于其从表面朝内部的梯度的溶剂去浸润过程实现了驱动现象，光子晶体膜发生卷曲 （Chem. Commun., 2016, 52, 5924）。但所制备的光子晶体驱动性能很差，很难满足应用需求。随后通过将液晶单体过度渗透到胶体晶体模板中并随后进行光聚合，制备了具有连续弯曲/去弯曲行为的溶剂响应驱动器(Soft Matter, 2018, 14, 5547)。

  最近，中科院理化技术研究所江雷院士团队王京霞研究员与湖南师范大学陈波教授合作发展了通过梯度填充法制备了一种Janus 型聚（离子液体-甲基丙烯酸甲酯）共聚物反蛋白石光子晶体膜（图1），该膜上表面聚集亲水的聚离子液体，呈亲水性， 而下表面富集疏水的聚甲基丙烯酸甲酯，呈疏水性。所制备样品两面的不同性能主要是由于光照聚合过程中离子液体和甲基丙烯酸甲酯不同的聚合行为而造成的相分离，导致其化学组成沿薄膜厚度方向的梯度分布。所制备薄膜的Janus 性使之遇水蒸气后具有明显的定向弯曲行为，在4 s内弯曲角度接近1440°，并伴有亮丽的结构色变化。

图1. 所制备的Janus 型光子晶体膜

  薄膜的驱动行为可以通过薄膜的化学组成、孔洞大小及溶剂种类来调节。他们通过COMSOL模拟了样品的定向驱动性能，并利用单个薄膜吸水后的驱动行为实现了单根机械轴的运动。

  该研究工作为发展新型光子晶体的光学器件提供借鉴。相关研究结果发表在（ACS Nano, 2018, DOI 10.1021/acsnano.8b05758）。该文章的第一作者张大杰为理化所与湖南师大联合培养的硕士研究生；共同一作刘捷为理化所的硕士研究生。北京航空航天大学的赵勇教授，日本中央大学Tomiki Ikeda教授及江雷老师对文章的拔高和润色做了很多指导帮助。文章中所采用的机械轴是江雷老师团队徐国栋高工设计制备。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021%2Facsnano.8b05758