郑美玲研究员团队在响应型3D水凝胶结构色及其应用方面取得新进展

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结构色是由入射光照射到具有微纳结构的表面而产生的一种物理色，具有稳定、环保、耐久等特点，在防伪、光学编码以及智能显示等领域有广泛的应用前景。响应型结构色能够在外界刺激（如温度、pH、光、湿度和磁场等）的作用下调节颜色。溶剂蒸气作为一种气体刺激因子，不仅能够有效避免外界刺激对微纳结构的直接接触而带来不可逆的损伤，而且还可以实现结构色的动态调控。然而制备具有简单微/纳米结构的结构色，并实现其可逆循环的动态响应特性仍然具有一定的挑战。
　　中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室郑美玲研究员团队近期在响应型3D水凝胶结构色及其在光学编码等领域的应用方面取得新进展。该团队通过飞秒激光直写加工制备了一种具有乙醇蒸气响应特性的微柱阵列，探究了微柱参数对微柱阵列结构色的影响规律，展示了其在信息隐藏和编码等领域的应用。相关研究成果发表在Small 上，硕士研究生周明霞为论文第一作者，金峰副研究员、郑美玲研究员为共同通讯作者。
　　作者利用飞秒激光技术加工3D响应型水凝胶，制备了一系列具有结构色的微柱阵列，通过调控微柱的直径和高度，实现了微柱阵列结构在全色域范围内的显色，并探究了微柱阵列结构色的乙醇蒸气响应行为（图1）。

图1. 响应型微柱阵列结构色的制备、调控及其乙醇蒸气响应行为

　　作者首先探究了单一微柱阵列的乙醇蒸气响应特性。在乙醇蒸气的作用下，微柱阵列结构色首先在150 ms内发生了轻微的红移，接着发生了大范围的蓝移，最后随着乙醇蒸气的撤去，结构色恢复到初始状态。根据FDTD模拟乙醇液膜对微柱阵列结构色的影响规律和实验中观察到的乙醇液膜，作者提出了微柱阵列结构色在乙醇蒸气作用下的变色机理。
　　进一步，作者还探究了微柱的结构参数（直径和高度）对乙醇蒸气响应的影响。并通过开尔文方程和拉普拉斯方程提出了微柱结构参数对乙醇蒸气响应行为的影响的理论解释。
　　最后，作者展示了微柱阵列结构色在信息隐藏与复现、光学编码等领域的潜在应用。如太极、“福”字、四叶草和熊猫脸等图文信息的隐藏与复现，摩尔斯密码的编码与复现。
　　该研究为3D水凝胶结构色的制备及动态响应提供了新的技术途径，将为其在生物医学、可穿戴设备、传感器以防伪等领域的应用开拓新思路。
　　该工作是研究团队前期一系列仿生水凝胶工作的深入和拓展（Adv. Funct. Mater. 2023, 2300293; Adv. Mater. Technol. 2022, 7, 2200276; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 27796-27805; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 1782-1789; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 42247-42257; Appl. Surf. Sci. 2017, 416, 273-280; J. Mater. Chem. B 2015, 3, 8486-8491; Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 5031-5039; J. Mater. Chem. B 2014, 2, 4318-4323）。相关研究工作得到科技部纳米科技重点专项、国家自然科学面上基金、中国科学院国际伙伴计划等项目的大力支持。
　　原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202304384
       文章来源：理化所
       郑美玲，中国科学院理化技术研究所研究员，2009年毕业于中国科学院理化技术研究所，获理学博士学位；2010年9月毕业于日本大阪大学工学部，获工学博士学位。2010年10月−2013年7月在中科院理化技术研究所任助理研究员，2013年8月至今任副研究员。主要从事有机光功能材料与结构的制备及其在生物光子学领域的应用基础研究，在Laser Photonics Rev.（封面）, Chem. Sci.（封面）, Chem. Soc. Rev.（邀请）, Nanoscale, Adv. Mater., Appl. Phys. Lett., Sci. Rep., J. Mater. Chem. C, J. Mater. Chem. B, J. Phys. Chem. C等光学、材料、化学、物理期刊发表SCI论文52篇，申请中国发明专利5项，已授权3项。作为项目负责人主持国家自然科学基金委青年基金、面上基金，中科院国际合作项目等5项，作为主要研究人员参加国家纳米重大研究计划项目(973)、国家自然科学基金委重大研究计划重点支持项目、集成项目、中科院重点部署项目等。撰写并出版了3部英文专著章节，应邀会议邀请报告10余次。目前是美国光学学会(OSA)、国际光学工程学会(SPIE)、中国微米纳米技术学会、中国感光学会影像信息功能材料与技术专业委员会等多个国内外学术组织的会员。