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响应型胶体光子晶体薄膜的制备与应用

傅茜茜  
【摘要】:响应型光子晶体是一种动态调谐电磁波传播的智能响应材料,它能够将外界刺激转化为光学信号和结构色的变化,因而在绿色印刷、传感器、防伪材料、太阳能电池与光催化等方面具有广阔的应用前景。随着材料技术的进步及实际需求的改变,人们对响应型光子晶体材料提出了更高的要求。人们迫切期望发展规模化、高效制备高质量光子晶体材料的合成方法,结合各种功能材料拓展响应型光子晶体的类型,加深光子晶体响应原理的理解,提高响应型光子晶体的灵敏度、响应速率与重现性,并实现光子晶体材料元器件的微型化,使其应用于节能显示器等领域。通常,构筑响应型光子晶体主要有两种策略,其一是将响应型基质填充在胶体晶阵列中得到复合的响应型材料,其二是直接制备响应型组装基元并进一步组装得到功能性的光子晶体。研究表明将具有特色功能的胶粒作为组装基元制备光子晶体,能够充分发挥胶粒本身的性能,进一步提升材料的响应性能,并有望拓展响应型光子晶体的应用。本论文采用以点带面的方式,着重发展具有高折射率、介孔结构或空心结构的若干新型结构基元,并以它们为基础构建了多种液态或固态响应型光子晶体薄膜,探索响应型光子晶体在可视化薄层色谱、结构色显示器件、化学传感器等领域的新应用,具体内容如下:在第二章中,我们采用多醇法大规模合成了尺寸均一可调的CeO_2胶体颗粒,并采用原位反应合成出CeO_2@SiO_2胶粒,进而组装形成液态胶体晶。与传统组装基元SiO_2胶粒、高分子胶粒相比,CeO_2@SiO_2胶粒具有更高的折射率,使得胶体晶薄膜拥有高饱和度的结构色;同时它还拥有丰富的表面电荷和较高的极化率,因而使液态胶体晶展现出更快的电响应速率、更高的电场稳定性及循环性。与已经报道的电响应光子晶体相比,这种CeO_2@SiO_2液态胶体晶的相干周期数很小,显示饱和结构色所需的有序周期数也小,在强电场作用下具有更强的抗褪色能力,解决了“电致褪色”的问题。利用上述液态胶体晶制备显示单元阵列,即可在电场调控下实现图案的控制显示。在第三章中,我们采用介孔二氧化硅胶粒为组装基元,构筑具有多级孔结构的固态光子晶体薄膜,并首次将其应用于薄层色谱,从而发展出一种兼具高效分离和可视化检出的薄层色谱新技术。该光子晶体薄膜包含了微米级的裂缝以及纳米胶粒内部的介孔,有效促进展开剂的扩散以及与待分析物的吸脱附作用,提高物质的分离效率。另一方面,由于化学物质渗入光子晶体薄膜后会改变样品所在区域的综合折射率和结构色,从而使其与非样品区域产生明显的色差,实现样品的可视化检出。与传统薄层色谱技术相比,这种新技术采用结构色识别样品,不再需要紫外辐照或者染色等辅助手段,提高了薄层色谱的易用性和安全性。在第四章中,为了进一步提高光子晶体薄层色谱的分离效率,我们制备出金属有机框架材料复合的二氧化硅胶体晶体薄膜,发展高效薄层色谱,并成功实现结构相似物质的分离。我们选择传统薄层色谱无法分离的两种甲酚异构体混合物作为研究对象,采用MIL-100/PC薄膜作为色谱板进行展开。研究表明,MIL-100/PC薄膜具有高比表面积以及与甲酚分子匹配的孔窗结构,所以对待分离物质展现出更高的选择因子;有效补偿了薄层色谱塔板数普遍较小导致的低分离效率,使得基于MOF复合光子晶体的薄层色谱能够在2厘米的展开距离内实现甲酚异构体的分离,达到气相色谱中30米色谱柱分离的效果。在第五章中,我们制备了以聚合物空心球为结构基元的胶体晶薄膜,并发展了基于空心球胶体晶的高精度化学传感器。研究表明,溶剂进入该光子晶体薄膜后呈现特殊的三步扩散,包括胶粒间空隙的填充、空心球聚合物壳层的溶胀以及空心球内部空腔的填充。因此,光子晶体薄膜的结构色也随之发生相应的分段响应。通过实验与理论模拟发现,溶剂对于空心球聚合物壳层的溶胀步骤为整个响应过程的决速步骤。由于不同溶剂分子极性、粘度、大小、构型以及与聚合物之间的相互作用都会对扩散产生影响,因此可以利用光子晶体的光学信号变化实现常见溶剂分子乃至同分异构体的精确识别。在实际应用中,人们可通过肉眼观察结构色变化,确定变色时间,进而直接对溶剂分子进行识别,极大简化了检测操作,摆脱了对专业仪器的依赖。


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