仿生皮肤，光子晶体，机械变色，视觉感应，防伪/材料科学/2024思维导图

U278105587

2024-09-29

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医学美容

实验步骤

光子晶体

基本信息，实验设计，实验步骤等内容讲解

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思维导图大纲

标题

英文

Bioinspired Artificial Photonic Nanocrystal Skin with High Sensitivity and Mechanical Color Change Properties for Camouflage and Visual Transmission

中文

可用于伪装和视觉传输的具有高灵敏度和机械变色特性的仿生人造光子纳米晶体皮肤

基本信息

期刊

SCIE

JCR Q2

IF 5.3

主要作者及机构

闫洋洋，郑金志

潍坊科技大学山东省级高校防护园艺实验室及沈阳化工大学机械与动力工程学院

实验设计

机械响应PC原理

机械力改变布拉格定律的d➡改变反射波长➡改变颜色

在薄膜的允许应变范围内(0 ~ 70%)，光子晶体薄膜可以快速实现无残余应变的颜色切换，灵敏度高(2.16 nm/%−1)，响应速度快(1.9 nm/ ms)

关键实验材料

PS@SiO2？

改善纳米微球与弹性体基体之间的折射率差➡产品颜色更亮

SiO2

形成溶解层，引起颗粒间的排斥，排斥电位使PS@ SiO2微球在达到一定体积分数后自发结晶（胶体颗粒在水介质中通过静电斥力可自发结晶）

复合微球

独特的核-壳结构具有弹性和拉伸性

得到更高的弹性和更宽的可调反射波长范围

PEGPEA？

包覆在PS微球上的SiO2上的硅醇基团氢键与PEGPEA的丙烯酸酯基团强结合，形成致密的溶剂化层。颗粒表面的溶剂层施加排斥力使PS@SiO2微球均匀分散在弹性体中

光子晶体膜中的胶体阵列缝隙被PEGPEA均匀填充，形成一种均匀的透光膜

实验步骤

单分散PS@SiO2核-壳微球制备

乳液聚合法制备PS微球（乳液）

改进的Stöber法制备单分散的PS@SiO2核-壳微球（粉末）

光子晶体弹性油墨制备

复合微球+乙醇+PEGPEA➡光固化分散体

机械响应光子薄膜的制备

通过UV照射

实验步骤

PS@SiO2微球的形态表征

PS微球粒径的控制

调节粒径发现样品的多分散性指数(PDI)均小于0.073，表明制备的微球具有良好的分散性

PS@SiO2微球折射率的控制

控制体积达到控制折射率的目的

光子晶体薄膜的制备与结构分析

光子弹性油墨➡溶剂层➡粒子斥力

均匀分散

否则颜色受到抑制甚至消失

高度稳定

规则的蛋白石结构

折射率相近

薄膜呈半透明，还具有彩虹效果。随着角度的变化，薄膜逐渐呈现出明亮的红色

彩色结构彩色光子晶体薄膜

薄膜结构颜色的体积分数依赖性

不同体积分数下光子晶体薄膜对应的反射光谱随着体积分数的增加，光子膜的中心波长会发生位移，进一步证实了光子薄膜结构颜色变化的体积分数依赖性

薄膜结构颜色的粒度依赖性

控制体积分数保持不变，选择不同粒径的微球制备光子薄膜，记录了不同粒径PS@SiO2微球在ϕth = 33%时的反射光谱

随着粒径的减小，光子薄膜对应的光谱峰也变小，颜色发生变化，证实了光子晶体结构颜色的粒度依赖性

薄膜结构颜色的角度依赖性

颜色随角度变化的彩虹现象来源于光子晶体在不同方向上的光散射

光子晶体薄膜的力致变色特性

拉伸变色

随着光子薄膜应变从0%增加到70%，结构颜色逐渐由红色变为蓝色

压缩变色

随着施加压力的增加，光子晶体薄膜发生蓝移。与拉伸变色的原理一致，压缩驱动聚合物层的垂直收缩，导致膜内晶格间距减小。同时，由于复合晶体薄膜体积的近似守恒和应力施加的不均匀，薄膜的某些区域膨胀并出现红移现象。

高灵敏度的机械变色

当对光子薄膜施加应力至拉伸应变达到70%时，中心波长发生位移。当薄膜张力释放后，由于晶格间距恢复，结构颜色迅速恢复到初始状态。机械显色灵敏度高达2.16 nm/%−1

光子晶体薄膜的高稳定性

PEGPEA填充光子晶体并锁定微球阵列，提高了材料的稳定性，使该材料具有优良的耐摩擦性能、耐久性

结构颜色传感器在光子晶体薄膜中的应用

通过色度测量进一步量化应变，从而设计可穿戴传感器。

实验证明：当手指开始以不同的速度反复弯曲时，薄膜可以实时响应结构颜色的变化

光子晶体薄膜的防伪应用

光子薄膜不同区域的光照不同，使得薄膜各区域的弹性变化不同，在应力作用下呈现出不同的结构颜色。

实验证明：利用掩模进行图案设计，在正常情况下，这种模式是看不见的，但当受到特定的力时，它会显得不可见，当力被移除时，它又会隐藏起来。

实验结论

通过在弹性聚合物基体中（PEGPEA）嵌入非紧密排列的微球（PS@SiO2），制备了一种稳定、高灵敏度的机械变色光子晶体薄膜。

研究意义

这种晶体薄膜被用作人体的可穿戴传感器，它可以在变化过程中通过输出不同的颜色来报告各种动作。同时，简单的制造工艺具有实现大规模生产的潜力。因此，该晶体薄膜在视觉传感、显示、防伪等方面具有一定的实用价值

创新点

PS@SiO2微球独特的核-壳结构具有弹性和拉伸性。聚苯乙烯(PS)改善了纳米微球与弹性体基体之间的折射率差，使光子晶体薄膜的结构颜色更加明亮。非致密阵列可以忽略应变下的粒子重排，使薄膜的机械变色过程完全可逆。

应用

应用：可穿戴传感器的开发、一种很有前途的防伪工具、制备工艺简单，可批量生产并投入实际应用、可以进一步扩大其在彩色印刷、全彩显示等领域的应用。

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3.54

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