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  響應性光子晶體因其能夠對外部刺激產生可調的光學性能而得到了深入的研究，其中水響應光子晶體因其無污染、環保的特點而受到廣泛關注。根據布拉格定律，高折射率比是獲得結構色不可或缺的條件。然而，液體滲透取代蛋白石內部縫隙或者反蛋白結構孔內的空氣會造成蛋白石或反蛋白石與填充材料的折射率相近，據此制備的水響應型光子晶體遇水時，光子禁帶（PBG）減弱而使顏色亮度大幅降低。還有報導通過水凝膠基質的溶脹行為，調整光子晶體周期性晶格常數，或使用軟結構膠體粒子作為構建模塊改變折射率比，構建了水響應光子晶體，但其響應速度較慢，同時水凝膠材料需要保持其中的水分以維持結構穩定。因此，構建新型雙反蛋白光子晶體結構，當液體填充時，使反蛋白石內部隨機分布的聚苯乙烯（PS）微球受液體浮力作用而均勻分布，實現快速水響應以滿足實際應用是非常必要的。

  最近，大連理工大學張淑芬教授團隊在《Chemical Engineering Journal》上發表了題為“Fast Water-Response Double-Inverse Opal Films with Brilliant Structural Color”的文章，首次制備出響應時間快、顏色亮麗的新型水響應雙反蛋白（WRDIO）膜。這種快速水響應和易于使用具有亮麗結構色的薄膜材料在用戶交互式防偽和傳感器領域顯示出潛在的應用前景。

圖 1. 氫鍵誘導潤濕性改變的雙反蛋白光子晶體膜的原理和功能示意圖

  它的原理是，受蓮蓬啟發，將PS微球引入到反蛋白骨架中，制備了粒子嵌套的雙反蛋白結構。水響應過程是通過誘導反蛋白骨架孔內的PS球在水環境中從隨機分布到受液體浮力作用而均勻分布，從而消除了散射干擾，產生了亮麗的結構色。

圖 2. 氫鍵誘導潤濕性轉變的表征

  反蛋白骨架主鏈中碳酸鈉處理后羧基的去質子化有效抑制了聚合物鏈之間氫鍵的形成，同時暴露的羧基陰離子導致親水性，這有利于水快速滲透進反蛋白骨架的孔內。

圖 3. 非溶脹水響應雙反蛋白膜用于信息安全

利用區域浸潤性差異，制備了具有高度不可見圖案，通過水刺激響應快速解密的雙反蛋白膜。

圖 4. 滲透壓驅動溶脹的水響應雙反蛋白膜用于傳感檢測

  聚合物中羧基陰離子的含量會影響到光學性能，高比例羧基陰離子引起的滲透壓升高會使制備的雙反蛋白膜快速被水溶脹，而乙醇則不能使其溶脹。寬范圍的光譜移動(≈92 nm）取決于乙醇-水混合物的組成，在富含乙醇的體系中尤其靈敏。

  相關成果近日發表在《Chemical Engineering Journal》上，DOI：10.1016/j.cej.2021.131213。論文的通訊作者為大連理工大學張淑芬教授，第一作者為化工學院博士生周常通。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721027947