Adv. Mater.：3D压敏型手性光子气凝胶

光学性质具有光、热、电场、机械等刺激响应性的光子材料在传感器件领域具有重要的应用。其中，压力刺激响应性光子材料是气压传感器、机械探针等技术领域的核心关键材料。作为一类来源广泛的天然高分子材料，纤维素纳米晶体在一定浓度条件下能够自组装形成手性向列相液晶结构，基于体系干湿态触发的材料结构变化实现材料光散射性能调控，广泛被用作显色材料。但是，目前纤维素纳米晶体基的光子材料多以2D薄膜材料的形式呈现，其机械响应性局限于螺距或胆甾体结构域倾斜角的变化。

近日，加拿大斯图尔特•布赖森量子物质研究所Mark J. MacLachlan（点击查看介绍）研究团队采用液晶自组装结合冰模板法制备了具有压敏特性的手性光子气凝胶。该气凝胶具有多级结构，其中纤维素纳米晶体（CNC）构成的一级2D手性向列相结构壁形成带状结构，并支撑二级的3D蜂窝网络结构。在压力诱导下能够可逆实现明显的颜色变化。该气凝胶材料为机械响应性光子材料的设计提供了新的参考机理，在智能显色器件以及传感器件领域有着重要的应用。

新型手性光子气凝胶制备过程及结构示意图。图片来源：Adv. Mater.

研究人员采用硫酸水解木浆制备CNC，表面带负电荷的硫酸盐半酯基使得水溶液中4 wt% 浓度的CNC颗粒能够自组装形成稳定的胶体晶体。对CNC悬浮液95 °C 热脱硫处理得到凝胶化的CNC，结合后续冰模板成型处理得到具有3D网络结构的手性新型气敏胶；进一步浸润聚二甲基硅氧烷（PDMS）赋予气凝胶优异的弹性和耐极性溶剂性能。

气凝胶实物图及湿态压敏显色。图片来源：Adv. Mater.

该新型气凝胶原始干燥或湿态条件下呈现白色柱状，密度为 88 mg cm^-3，而在湿态压力作用下转变为显明亮的蓝色。进一步采用SEM对材料结构变化分析表明，压力作用下气凝胶由3D蜂窝网状结构转变为较为致密的具有光子晶体性质的2D平面结构，从而引起材料宏观的显色变化。

气凝胶压力作用下材料结构变化表征。图片来源：Adv. Mater.

基于体系中引入了橡胶弹性体PDMS，该气凝胶体系（RPA-PDMS）在水溶液具有良好的柔韧性，其压缩/去压缩过程能够实现完全变形恢复。同时，圆二色（CD）光谱测试显示压力作用下凝胶体系的反射光呈现手性特性。

凝胶体系可逆压敏显色测试。图片来源：Adv. Mater.

研究人员进一步采用UV-Vis光谱对不同状态下气凝胶的光学性质进行表征，相较于未压缩状态240 kPa压缩条件下气凝胶在约410 nm处呈现明显的特征峰，且峰值强度随压力的增加而增强；同时，研究表明不同极性溶剂对CNC层的溶胀度不同，从而可实现凝胶体系特征峰值以及显示颜色的进一步调控。

气凝胶不同状态下光学性质表征。图片来源：Adv. Mater.

该压敏型光子气凝胶具有良好的亲水性，借助超声能够简便制备溶剂响应性显色墨水（2.2 mg mL^-1/水），可书写于不同平面或曲面基底表面。在基底表面的光子气凝胶呈现2D堆叠结构状态，在干态条件下呈现白色，而在湿态条件下则呈现明显的显色反应且溶剂体系的不同而呈现颜色不同。

溶剂响应性显色墨水应用展示。图片来源：Adv. Mater.

总结

作者基于纤维素纳米晶溶液相自组装结合冰模板法首次实现了具有3D结构手性光子气凝胶的制备。该气凝胶在干湿状态压力作用下可逆的3D-2D结构转变，赋予体系呈现不同的显色，使其在溶剂响应性传感器件、显色以及信息存储方面具有广阔的应用前景。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Pressure-Responsive Hierarchical Chiral Photonic Aerogels

Yuanyuan Cao, Lev Lewis, Wadood Y. Hamad, Mark J. MacLachlan

Adv. Mater., 2019, 31, 1808186, DOI: 10.1002/adma.201808186

导师介绍

Mark J. MacLachlan

https://www.x-mol.com/university/faculty/6580