Adv. Mater.： 基于毛细作用，组装彩色条码

 【引言】

在自然界中，广泛存在的规则有序的纳米结构，是多种多样生物体能够生存的重要组成部分之一。受到这种具有亮丽颜色的生物体的启发，研究人员通过一些自上而下的方法，包括光刻胶技术，喷墨印刷技术或是计算机辅助的激光刻蚀技术等，成功制造了人造的具有一定结构和颜色的材料。除了自上而下的方法以外，单分散胶体纳米颗粒的自组装也是一种构建具有不同结构可变颜色材料的有效途径，因为它可以在温和的环境下进行，并且操作简便。当引入外界刺激时，该材料会膨胀或者收缩，进而改变颜色，这一性质可以被应用于传感器和动态光学领域。

【成果简介】

近日，东南大学顾忠泽教授、 赵远锦教授(通讯作者)等人模仿了可变颜色的生物结构，由不同成分组成的，具有条纹状阵列的，刺激相应可变色材料。该研究发表于 Advanced Materials, 题为 “Bioinspired Heterogeneous Structural Color Stripes from Capillaries”。研究人员通过改变自组装过程中的多种参数，实现了对材料中条纹宽度、间距和颜色精确调控。 通过引入在近红外波段对光学刺激响应的石墨烯水凝胶，得到了受到光照会发生弯曲和变色的结构材料。不仅如此，作者尝试利用这种对近红外光学刺激的响应，成功设计出了具有防伪功能的动态条形码标签。

【图文导读】

图1. 基于毛细作用，制备条纹结构，可变颜色的材料。

a-b）在玻璃毛细管中自组装条纹结构的示意图；

c）光学显微镜图像；

d）五种不同条纹结构的反射光谱图。

图2. 条纹图案胶体晶体及水凝胶复制纳米结构的SEM图像

a）全视图；       b）表面放大图；

c）条纹图案胶体晶体的横截面；

d）对应复制结构的全视图，e）表面放大图，以及f）截面图。

图3. 具有不同宽度，间距，颜色和组合的结构颜色条纹比较。

a）光学显微镜图和b）条纹宽度和间距，随毛细管内径变化曲线； 

c）光学显微镜图和d）条纹宽度和间距，随二氧化硅溶液浓度变化曲线； 

e-f）具有相同颜色，不同宽度的，条纹图案组合；

g-h）具有不同颜色的，不同宽度的，条纹图案组合。

图4. 氧化石墨烯水凝胶的形成和条纹纳米结构。

a）绿色条纹图案胶体晶体模板；

b）具有PNIPAM / GO水凝胶的红色混合模板；

c）绿色条纹相互补的 PNIPAM / GO水凝胶；

d）绿色条纹相互补的PNIPAM / rGO水凝胶； 

e-f）带有蓝色和红色结构颜色的带状图案水凝胶，具有相应的蓝色和红色条纹图案。 

图5. 近红外光刺激，对PNIPAM / rGO水凝胶弯曲程度的调控。

a）植物的向光性；

b）水凝胶朝向光的方向弯曲的示意图；

c）具有2,4,6和8mg/mL的四种不同GO含量的水凝胶的弯曲角，随时间变化的曲线图；

d）一组光学图像，以不同的弯曲角度，显示具有变化的条纹结构的水凝胶的弯曲过程；

e）弯曲角度和特征反射峰值位置之间的关系。

图6. 基于PNIPAM / rGO水凝胶条纹图案，设计动态条形码。

a）在近红外光扫描时，实现颜色转化的结构条纹图案示意图；

b）单一颜色的条形码；

c）双色条形码；

d）二维的条纹条形码，在近红外光照射时，颜色发生蓝移。

【小结】

该研究基于毛细管中三相界面作用力和胶体自组装的原理，设计和制备了具有条纹图案的可调控结构和颜色的材料。通过调整硅纳米粒子胶体自组装各种参数，例如玻璃毛细管的直径，纳米粒子的浓度，实现了对条纹图案的宽度和间距精确调控。此外，通过改变纳米粒子的尺寸，制备了具有不同种类的结构和颜色的条纹图案，并且可以进行多种组合。更重要的是，利用近红外光照射，可以控制该材料的弯曲程度，带来不同的颜色变化，模仿植物的向光性。引入石墨烯水凝胶，得到的材料可以作为具有光响应的条形码，起到防伪作用，该材料的设计，为构建智能传感器和防伪设备提供了参考。

文献链接： Bioinspired Heterogeneous Structural Color Stripes from Capillaries（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201704569）

本文由材料人编辑部生物组饶成成编译。

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