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東北林業大學劉守新教授團隊《Mater. Horiz.》：機械和熱響應的纖維素手性光子水凝膠用于動態防偽與光子皮膚

2025-01-26 來源：高分子科技

自然界中，變色龍能夠通過改變皮膚表面的微結構實現變色，以適應周圍環境的變化。受此啟發，研究人員利用有機液晶和反蛋白石材料的有序結構，開發了一系列刺激響應型（PH、溫度、溶劑、壓力等）結構色材料。然而，上述材料制備工藝相對復雜，還會造成環境污染等問題。此外，傳統的刺激響應型結構色材料微結構和顏色難以精確調控，限制了其應用的拓展。羥丙基纖維素（HPC）作為一種環境友好型的纖維素衍生物，能在特定條件下形成液晶并產生結構色，具有良好的機械性能，適用于3D打印和紡絲等領域。當前，缺乏對HPC手性結構與圓偏振光學特性的關聯研究，此外，HPC材料的機械響應光學機制需要進一步探討。

針對上述挑戰，東北林業大學劉守新教授團隊采用光交聯策略將HPC與丙烯酰胺（AM）結合，成功制備了具有可調諧和多重響應特性的纖維素結構色光子水凝膠。HPC水凝膠能夠反射右旋圓偏振光，其結構色可通過紫外光照射時間精確調控。同時，光交聯制備的HPC水凝膠具有溫度和力學雙響應的結構色光學特性。此外，HPC光子水凝膠在拉力作用下，展現了從圓偏振光反射到線偏振光反射的可逆轉換。基于刺激響應的光學特性，HPC水凝膠被開發為機械響應的圓偏振加密標簽、熱致變色安全標簽以及機械手的光子皮膚。這項工作表明纖維素結構色水凝膠在多功能傳感和光學顯示領域具有巨大的應用潛力。這項研究成果以“Mechanical and thermal responsive chiral photonic cellulose hydrogels for dynamic anti-counterfeiting and optical skin” 為題發表在《Materials Horizons》雜志上。文章第一作者為東北林業大學碩士研究生李寶琦，通訊作者為東北林業大學劉守新教授、李偉教授和徐明聰教授。該研究工作得到了“十四五”國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國博士后面上基金等項目的支持。

圖1. a) 基于HPC光子水凝膠的光和機械力響應的手性結構及光學性質變化示意圖。b) 基于HPC光子水凝膠的溫度和濃度響應結構變化示意圖。c) 機械和熱響應HPC光子水凝膠在動態防偽及機械手的光子皮膚應用。

圖2. HPC/AM水凝膠的光學性質。a) 不同濃度下HPC/AM光子水凝膠的熱響應特性。b) 不同溫度下不同濃度的HPC/AM水凝膠的反射波長。c) 20℃時，不同濃度HPC/AM水凝膠的CD光譜。

圖3. 通過光交聯聚合策略實現HPC/PAM水凝膠的結構色變化。a) 不同UV曝光時間下的HPC/PAM樣品的照片。b) 不同UV曝光時間下的HPC/PAM樣品的歸一化反射光譜。c) 不同UV輻照時間下的HPC/PAM樣品的CD光譜。d) 未交聯HPC/AM樣品的POM圖像。e) UV輻照15秒交聯后的HPC/PAM樣品的POM圖像。f) 未交聯HPC/AM樣品的SEM圖像。g) UV輻照15秒交聯后的HPC/PAM樣品的SEM圖像。

圖4. HPC水凝膠的熱致變色特性。a) 光交聯后，在不同溫度下的HPC/PAM水凝膠的照片。b)光交聯后，不同溫度下HPC/PAM水凝膠的歸一化反射光譜。c) 不同聚合時間HPC/PAM水凝膠在不同溫度下的反射峰變化。d) HPC/PAM水凝膠經過熱/冷循環測試的最大反射峰位置。

圖5. 彈性HPC結構色水凝膠材料的機械響應光學性質。a) 彈性HPC水凝膠材料在拉伸和壓縮力作用下的示意圖。b) 不同拉伸應變下彈性HPC水凝膠材料的顏色變化圖像。c) 不同壓力應變下彈性HPC水凝膠材料的光學圖像。d) 不同拉伸應變下彈性HPC水凝膠的反射光譜。e) 不同壓力下彈性HPC水凝膠的反射光譜。

圖6. 彈性HPC結構色水凝膠材料的圓偏振光學特性。a) 在RCP和LCP下觀察到的不同應變程度的HPC水凝膠的圖像。b) 不同應變程度HPC水凝膠的CD光譜。

圖7. HPC結構色水凝膠材料的多重應用展示。a) 用于機械誘導的圓偏振圖案化動態防偽。b) 用于熱致變色安全圖案化標簽。c) i, 用于機械手的光子皮膚。ii, 基于光子皮膚顏色變化識別機械手的抓握動作。iii, 不同溫度下機械手光子皮膚的照片和紅外熱成像圖像。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4MH01646G

下載：Mechanical and thermal responsive chiral photonic cellulose hydrogels for dynamic anti-counterfeiting and optical skin

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（責任編輯：xu）

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