上海交通大學王新靈教授《ACS AMI》:有機溶劑可致變色的表面疏水纖維素納米晶薄膜

結構色(Structural Color)有別於顏料色(Pigment Color),廣泛存在於甲蟲的殼、飛蛾的翅膀、鳥的羽毛等自然界生物中。基於仿生的原理,如今科研工作者開展瞭大量有關結構色的研究工作。在眾多材料中,纖維素納米晶(Cellulose Nanocrystals,CNCs)由於其獨特的光學特性、原料來源廣泛、制備條件簡單等特點,逐漸被人們視為制備結構色的最佳材料之一。

CNCs顯示出結構色的原因在於其內部存在手性多層三維有序結構。由於CNCs固有的親水特性,其內部有序結構易受水的侵害,進而影響其結構色的表現;而自然界中生物所擁有的結構色均不易受到水的影響。為克服基於CNCs的結構色易受水影響這一弊端,上海交通大學化學化工學院王新靈課題組制備出瞭一種具有疏水表面且有機溶劑可致變色的CNCs薄膜。相關工作以“Bio-Inspired Hydrophobic CelluloseNanocrystals Composite Films as Organic Solvent Responsive Structural ColorRewritable Papers”為題近日發表在《ACS Applied Materials &Interfaces》上。

上海交通大學王新靈教授《ACS AMI》:有機溶劑可致變色的表面疏水纖維素納米晶薄膜
圖1. CNCs/三嵌段樹脂納米復合膜的制備流程

該工作突出瞭以下兩個材料設計:其一是將PEG-PPG-PEG三嵌段共聚物引入到CNCs材料中,其中親水性的PEG鏈段與親水性的CNCs層聚集,使得三嵌段樹脂可以穩定的存在於薄膜材料之中,進而使薄膜宏觀上顯示出均勻的結構色,而且CNCs結構色符合經典Bragg方程,所顯示出的宏觀顏色與內部手性多層結構的螺距有著直接聯系;而其中疏水的PPG鏈段引入到纖維素層間中,有助於擴大其結構色對有機溶劑的響應窗口,使該復合膜的顏色在吸收有機溶劑後有著肉眼可見的紅移。

上海交通大學王新靈教授《ACS AMI》:有機溶劑可致變色的表面疏水纖維素納米晶薄膜
圖2.有機溶劑刺激後CNCs復合薄膜層間距的變化

其二,該工作通過一步法的疏水表面修飾將十六烷基三甲氧基矽烷(hexadecyltrimethoxysilane, HDTMS)在室溫條件下成功化學接枝在復合膜表面,使得薄膜表面具備瞭疏水特性,使水分無法影響薄膜結構色的表現。

上海交通大學王新靈教授《ACS AMI》:有機溶劑可致變色的表面疏水纖維素納米晶薄膜
圖3.疏水表面修飾前(a)和後(b)薄膜表面水接觸角照片;復合薄膜在受到有機溶劑(c)和水(d)刺激後紫外最大透過波長的遷移情況

該工作中所制備的復合薄膜為今後提高CNCs結構色的耐水穩定性和循環響應性提供瞭新思路,未來有望應用於可重復書寫的疏水紙、仿生傳感器以及屏幕顯示等領域。

上海交通大學王新靈教授《ACS AMI》:有機溶劑可致變色的表面疏水纖維素納米晶薄膜
圖4.該復合薄膜作為可重復書寫疏水紙的應用實例(紅圈內為薄膜表面球狀水滴)

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https://doi.org/10.1021/acsami.0c04785

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