Adv. Mater.： 基于毛細作用，組裝彩色條碼

?【引言】

在自然界中，廣泛存在的規則有序的納米結構，是多種多樣生物體能夠生存的重要組成部分之一。受到這種具有亮麗顏色的生物體的啟發，研究人員通過一些自上而下的方法，包括光刻膠技術，噴墨印刷技術或是計算機輔助的激光刻蝕技術等，成功制造了人造的具有一定結構和顏色的材料。除了自上而下的方法以外，單分散膠體納米顆粒的自組裝也是一種構建具有不同結構可變顏色材料的有效途徑，因為它可以在溫和的環境下進行，并且操作簡便。當引入外界刺激時，該材料會膨脹或者收縮，進而改變顏色，這一性質可以被應用于傳感器和動態光學領域。

【成果簡介】

近日，東南大學顧忠澤教授、 趙遠錦教授(通訊作者)等人模仿了可變顏色的生物結構，由不同成分組成的，具有條紋狀陣列的，刺激相應可變色材料。該研究發表于 Advanced Materials, 題為 “Bioinspired Heterogeneous Structural Color Stripes from Capillaries”。研究人員通過改變自組裝過程中的多種參數，實現了對材料中條紋寬度、間距和顏色精確調控。 通過引入在近紅外波段對光學刺激響應的石墨烯水凝膠，得到了受到光照會發生彎曲和變色的結構材料。不僅如此，作者嘗試利用這種對近紅外光學刺激的響應，成功設計出了具有防偽功能的動態條形碼標簽。

【圖文導讀】

圖1. 基于毛細作用，制備條紋結構，可變顏色的材料。

a-b）在玻璃毛細管中自組裝條紋結構的示意圖；

c）光學顯微鏡圖像；

d）五種不同條紋結構的反射光譜圖。

圖2. 條紋圖案膠體晶體及水凝膠復制納米結構的SEM圖像

a）全視圖； ? ? ? b）表面放大圖；

c）條紋圖案膠體晶體的橫截面；

d）對應復制結構的全視圖，e）表面放大圖，以及f）截面圖。

圖3. 具有不同寬度，間距，顏色和組合的結構顏色條紋比較。

a）光學顯微鏡圖和b）條紋寬度和間距，隨毛細管內徑變化曲線；?

c）光學顯微鏡圖和d）條紋寬度和間距，隨二氧化硅溶液濃度變化曲線；?

e-f）具有相同顏色，不同寬度的，條紋圖案組合；

g-h）具有不同顏色的，不同寬度的，條紋圖案組合。

圖4. 氧化石墨烯水凝膠的形成和條紋納米結構。

a）綠色條紋圖案膠體晶體模板；

b）具有PNIPAM / GO水凝膠的紅色混合模板；

c）綠色條紋相互補的 PNIPAM / GO水凝膠；

d）綠色條紋相互補的PNIPAM / rGO水凝膠；?

e-f）帶有藍色和紅色結構顏色的帶狀圖案水凝膠，具有相應的藍色和紅色條紋圖案。?

圖5. 近紅外光刺激，對PNIPAM / rGO水凝膠彎曲程度的調控。

a）植物的向光性；

b）水凝膠朝向光的方向彎曲的示意圖；

c）具有2,4,6和8mg/mL的四種不同GO含量的水凝膠的彎曲角，隨時間變化的曲線圖；

d）一組光學圖像，以不同的彎曲角度，顯示具有變化的條紋結構的水凝膠的彎曲過程；

e）彎曲角度和特征反射峰值位置之間的關系。

圖6. 基于PNIPAM / rGO水凝膠條紋圖案，設計動態條形碼。

a）在近紅外光掃描時，實現顏色轉化的結構條紋圖案示意圖；

b）單一顏色的條形碼；

c）雙色條形碼；

d）二維的條紋條形碼，在近紅外光照射時，顏色發生藍移。

【小結】

該研究基于毛細管中三相界面作用力和膠體自組裝的原理，設計和制備了具有條紋圖案的可調控結構和顏色的材料。通過調整硅納米粒子膠體自組裝各種參數，例如玻璃毛細管的直徑，納米粒子的濃度，實現了對條紋圖案的寬度和間距精確調控。此外，通過改變納米粒子的尺寸，制備了具有不同種類的結構和顏色的條紋圖案，并且可以進行多種組合。更重要的是，利用近紅外光照射，可以控制該材料的彎曲程度，帶來不同的顏色變化，模仿植物的向光性。引入石墨烯水凝膠，得到的材料可以作為具有光響應的條形碼，起到防偽作用，該材料的設計，為構建智能傳感器和防偽設備提供了參考。

文獻鏈接： Bioinspired Heterogeneous Structural Color Stripes from Capillaries（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201704569）

本文由材料人編輯部生物組饒成成編譯。

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