电子科大崔家喜教授团队Nat. Commun.：结构色可控且机械性能可调的自生长光子晶体复合材料

自然界中许多微生物、植物和动物均可显示出独特的明亮颜色，即“结构色”，这是光与不同反射指数介质构成的周期性排列纳米结构相互作用的结果。与颜料或基于染料形成的色素色相比，结构色通常更鲜艳、视觉上更吸引人。基于此，结构色在机械传感、柔性显示、光学涂层和防伪材料等领域具有广泛的应用前景。目前，自上而下和自下而上两类技术可制备各种结构复杂的有序周期性纳米结构。前者主要依赖于精细的加工工艺，但通常伴随着高额的加工成本和低下的生产效率低，因而阻碍了其大规模制造。后者通过自组装来制造有序的纳米结构，是简单且可规模化的。但其往往需要具有统一尺寸的构建块，这导致出现了单一的光子（或伪光子）带隙/结构色单一（或虹彩色）。然而在实际应用中，如化妆品、服装、安全、生物分析、传感器、电器和汽车等领域，多色图案化是十分必要的。对结构色材料进行图案化可大大提升其附加值。为了实现其多色图案化，限制性沉积/溶胀、区域选择性聚合等是近期兴起的方法。其中，限制性溶胀通过改变溶胀区域实现多色图案化效果，具有刺激响应性，但也相对不稳定。光聚合是通过固定限制性区域内的化合物来调节光子晶体的禁带带隙从而实现多色图案化，但由于固化的基质往往是刚性的，带隙的调控不够充分。总的来说，上述方法通常涉及精密的技术，需要较高的合成水准。然而所获图案不稳定、分辨率低，可控性较差，同时伴随材料脆、不能后加工等问题，与天然的结构色材料形成鲜明对比。

生长是近期兴起的一种有效的后加工改变材料性能的方法，其原理是在交联聚合物网络结构中引入一种动态机制，这种机制可进一步引发包裹在聚合物网络中单体的聚合并把所得的聚合物融合到原聚合物网络结构中，进而系统地改变已有材料的尺寸、成分、力学性能和形状等各种性质。电子科技大学崔家喜教授（点击查看介绍）团队作为最早研究生长材料的课题组之一，近几年一直致力于解决生长材料目前存在的生长次数受限、调控不灵活等问题。据此，他们首次将光解、光聚合和酯交换作用耦合在一起，实现了动态基底表面微结构的局部生长（Nat. Commun. 2020, 11, 963），在此基础上，他们通过利用酯交换释放内部产生的应力，实现了材料力学、形貌和尺寸进行多维度调控（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 6 )，进一步他们赋予了硬热固性材料（1GPa）的高效生长自修复能力（J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 174-179），基于正交自生长策略合成的导电水凝胶性能可多维度后调节（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2206222），并把生长的概念从共价键体系推广到超分子体系、通过交替生长的策略实现酸碱复合韧性水凝胶在承力状态下的原位生长（Adv. Funct. Mater. 2022, 2212402）。目前可用的生长系统仅拥有简单的聚合物基质，与孔雀尾羽中观察到的精细、有序、复杂的复合结构相去甚远（图1a-b）。因此，开发简单的方法来制造颜色鲜艳、性能可控的结构色多色图案化材料具有十分重要的意义。

至此，基于前期自生长材料的研究基础，他们提出了一种基于光聚合和酯交换耦合反应的光诱导聚合生长策略，并将其应用在“活”的光子晶体体系中，在生长程序的作用下，实现了制造具有可控结构色、图案能力和可调机械性能的光子晶体复合材料。近日，该研究工作发表在Nature Communications 上。该论文通讯作者为电子科技大学基础与前沿研究院的崔家喜教授，文章第一作者为电子科技大学基础与前沿研究院的博士后薛娟，电子科技大学基础与前沿研究院为第一单位。该论文获国家自然科学基金(51973023，52003035)与中国博士后科学基金(W03019023601004133)的共同资助。

图1. 生长策略构筑光子晶体复合材料。（a）孔雀及其尾羽枝的图像。SEM图像展示了蓝色（向上）和棕色（向下）的小羽枝及其横截面结构。(b) 孔雀羽毛产生结构色的光子晶体复合结构示意图。选择性角蛋白生长导致出现不同的结构色和图案；（c）生长策略制造光子晶体复合材料的示意图。

要点一：“活”的光子晶体系统由嵌入聚合物基体中的二氧化硅纳米球组成，它可以通过在外部环境中引入“营养物质”而进行空间选择性生长。这种生长是通过同时使用由单体、交联剂、光引发剂和酯交换反应催化剂组成的营养液使交联聚合物基体均匀膨胀，然后由光诱导聚合而实现的。通过这种设计，可以不断地改变光子带隙和系统组成，从而根据需要调节光子晶体材料不同性能。

图2. 生长制备光子晶体复合膜的光学特性。（a）初始样品及其生长样品的数码照片，横截面SEM图（b）和紫外可见吸收光谱图（c）；（d, e）理论和实验预测平面间距2d、反射峰（颜色）与生长的关系。

要点二：生长可引起原有光子晶体晶格参数的扩展从而使该系统能够精确和持续地改变其光子带隙，进而以一种按需的方式改变颜色。

图3. 生长制备光子晶体复合膜的机械性能。（a）从不同的无交联剂营养液中获得的生长样品的弹性模量；（b）从含不同交联剂浓度的营养液中获得的生长样品的弹性模量；（c）原有样品在弯曲过程中断裂的数字照片；（d）可逆软化生长样品的化学机制示意图：醇解使连接结构解体（软化），逆醇解使连接重组（硬化）；（e, f）柔性样品的在弯曲、卷起、扭曲和折叠状态的数码照片以及原有样品和生长样品的应力应变曲线；（g）重塑形状机制（上图）和多次重塑形状样品的数码照片。

要点三：生长通过改变营养液中的成分和生长程序，可以选择性地改变样品的机械性能。

图4. 光子晶体复合膜的空间选择性生长。（a）光诱导的选择性生长；（b）从同一基底上通过空间选择性生长制备多色图案；（c）自修复机制（上图）和自修复样品的数码照片；（d）自修复样品的修复效果。

要点四：通过生长机制获得的材料不仅显示出良好的灵活性、韧性和自愈/重塑能力，而且还可制造复杂的、高分辨率的图案。

结论

该团队建立了一种新生长策略，实现了制造具有可控结构色、图案能力和可调机械性能的光子晶体复合材料。由于这种简便的方法可以应用于常用的聚合物体系，并能产生优异的性能，我们可以预见它在应对结构色材料的许多新挑战和扩大其商业价值方面具有巨大的应用潜力。

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）：

Self-growing photonic composites with programmable colors and mechanical properties

Juan Xue, Xuewu Yin, Lulu Xue, Chenglin Zhang, Shihua Dong, Li Yang, Yuanlai Fang, Yong Li, Ling Li & Jiaxi Cui

Nat. Commun., 2022, 13, 7823. DOI: 10.1038/s41467-022-35555-0

团队负责人简介

崔家喜，电子科技大学基础与前沿研究院教授，国家青年人才，四川省青年人才，成都市“蓉漂计划”特聘专家，四川省学术和技术带头人。2008 年博士毕业于北京大学，先后在北京大学、德国马普高分子所、哈佛大学等国内外知名高校或科研机构从事化学领域的研究工作。主要研究方向包括：仿生聚合物材料、聚合物涂层和界面、聚合物网络结构、水凝胶、自修复材料、生物医用材料等。在Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、JACS、Angew. Chem. In. Ed.等国际著名期刊发表学术论文100多篇，引用4300多次；H指数38；i10指数77。编写英文专著（章节）2部。研究成果多次受到国内外专家和各科学媒体（Wiley, ChemView, MRS, Phys等）以及电视台的报道与高度评价。

课题组主页：

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