仿变色龙柔性光子纤维素膜,同时具有机械和湿度响应变色

结构色是自然界中最奇异的现象之一,它是由光对纳米结构的干涉而产生的,在动植物中经常出现。与色素不同,结构色具有环保、不褪色的显著特点,一些生物甚至能够快速可逆地改变颜色,用于伪装、交配和群体防御。其中,变色龙是最重要的代表之一。通过拉紧或放松皮肤,变色龙可以改变光从鸟嘌呤晶体表面反射的方式,产生所谓的结构色。科学家们已经在各种变色材料中模仿变色龙皮肤的晶体纳米结构,但它们通常很难生产,或者依赖于不可再生的石油资源。相比之下,纤维素纳米晶(CNC)是一种可再生材料,可以自组装成具有结构色的薄膜。然而,这些薄膜通常是脆弱的,不像变色龙皮肤,不能拉伸而不破裂

四川大学王玉忠院士/宋飞教授:仿变色龙柔性光子纤维素膜,同时具有机械和湿度响应变色

最近,四川大学王玉忠院士宋飞教授在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为“Chameleon-Inspired Variable Coloration Enabled by a Highly Flexible Photonic Cellulose Film”的文章,他们受变色龙的启发,在CNC中引入了柔性网络结构,所得薄膜具有较高的柔韧性,断裂应变高达39%首次在CNC材料上实现拉伸引起的结构色变化。此外,薄膜的结构色可以对湿度和压缩响应。通过控制环境湿度,可以显示或隐藏无墨书写留下的彩色痕迹。这种生物基光子薄膜作为一种新型的“智能皮肤”,具有显色传感、加密、防伪等多种功能。

四川大学王玉忠院士/宋飞教授:仿变色龙柔性光子纤维素膜,同时具有机械和湿度响应变色

图文导读

CNC能够自组装成胆甾型液晶结构(图1),光与该结构作用可以产生结构色。受变色龙的弹性皮肤启发,作者在CNC材料中引入了聚合物网络,该网络由聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)单体光固化得到。CNC/PEGDA薄膜的结构色随着PEDGA含量的增加而红移(图2),这是因为聚合物含量的增加使得CNC的螺距增加,反射峰红移。因此可以得到从蓝色到红色的结构色。另外,引入PEGDA网络有利于提高薄膜的力学性能。添加了与CNC质量比为1:1的PEGDA和15分钟的紫外光照射后,断裂伸长率达到39%。

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图1 (a)变色龙结构色变化机理和(b)CNC/PEGDA薄膜的结构设计与制备

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图2 CNC和CNC/PEGDA薄膜的微观结构、光学和机械性能。

得益于CNC/PEGDA薄膜的柔韧性,它具有机械变色的特性。这是由于在拉伸过程中CNC的螺距减少,薄膜的颜色应发生蓝移。然而,颜色变化不明显或不均匀,这可能是由于组装后的CNC移动性差。而且形状恢复不完整,这可能是由于拉伸过程中形成了胶状微粒,阻碍了恢复。另外,当在薄膜上施加0–15 MPa的压力时,结构色从红色到绿色变化。

四川大学王玉忠院士/宋飞教授:仿变色龙柔性光子纤维素膜,同时具有机械和湿度响应变色

图3 力学性能和拉伸诱导的变色。

薄膜可用作光子纸,通过无墨水书写处理,可以在纸张上留下彩虹色的痕迹。因为CNC和PEGDA网络具有很高的亲水性,薄膜和标记会随着环境湿度发生颜色变化,即湿度响应。当相对湿度增加到100%时,由于水分子进入CNC的自组装结构,螺距增加,薄膜显示红色,在这种情况下,标记是“隐藏”的。当将相对湿度降低到56%和16%时会导致标记的出现,这归因于水分去除导致的螺距降低。因此可以用于信息加密

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图5 压缩致变色。

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图6 湿度响应变色,可作为光子纸用于无墨水书写和信息加密。

亮点小结

综上所述,受变色龙弹性皮肤的启发,作者提出构建PEG的网络桥来连接CNC,制备自支撑且高度柔性的结构色薄膜。PEG链的高柔韧性使CNC基薄膜具有高变形行为,断裂应变高达39%。首次实现CNC基薄膜在拉伸时呈现可逆的结构色变化。此外,薄膜具有水和压缩响应特性,通过在受控环境条件下改变颜色,实现加密和防伪。

全文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c13551

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