科研进展

先进院研发出基于图案化亲疏阵列用于光子晶体自组装与信息存储

时间:2017-10-20  来源:医工所微纳中心 文本大小:【 |  | 】  【打印

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院医工所微纳中心仿生智能材料课题组杜学敏副研究员设计出了一种图案化的亲疏阵列,并将其用与低成本、大面积且精准的胶体光子晶体自组装及信息存储。这一成果日前以题为Breath-Taking Patterns: Discontinuous Hydrophilic Regions for Photonic Crystal Beads Assembly and Patterns Revisualization”(非连续亲水区域用于光子晶体自组装及隐形图案再现)在线发表于ACS Applied Materials & Interfaces(美国化学会《应用界面材料》)上(DOI: 10.1021/acsami.7b10359IF:7.5) 

  近年来,源于大自然的结晶——光子晶体,由于具有独特的光学特性,多次被Science列为未来热点研究方向,并在传感检测、光学器件、显示等领域展现出巨大应用前景。然而,如何低成本、大面积且精准组装胶体光子晶体,一直是制约光子晶体广泛应用的巨大瓶颈。杜学敏副研究员团队先后探索过大量制备胶体光子晶体颗粒(Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, 223, 318-323)与在不同表面基底上大面积组装胶体光子晶体薄膜(Journal of Materials Chemistry C, 2015, 3, 3542-3546,热点文章),虽取得一定成效,但如何低成本、大面积且精准组装胶体光子晶体,仍是一大挑战。 

  在本研究中,研究团队通过仿生沙漠甲虫背部收集水原理,采用亲疏水单分子层图案化设计,即可以在基底上实现高效的大面积形貌(正六边形、方形与圆形)与尺寸可控设计的液滴阵列制备。并且,通过在液滴阵列表面覆盖上一层油膜,可以极大延长液滴的保存时间,为高通量生化传感检测与晶体生长提供了更简便有效的微环境。与此同时,亲疏阵列还可以用于胶体光子晶体自组装:将亲疏阵列基底浸入单分散微球乳液中,待形成乳液液滴阵列后在其表面覆盖上一层油膜,便可以实现胶体光子晶体低成本、大面积且精准组装。由于亲疏水区域表面能差异,半球形的光子晶体颗粒在亲水图案处精准组装,通过调节图案尺寸或组装胶体光子晶体的微球尺寸,即可获得不同尺寸或颜色的光子晶体颗粒阵列。 

  这一成果的有趣之处在于,正常状态下看不到阵列化图案,人对着图案哈气,即可以实现“一气呵现”——让隐形图案再现;待水分挥发,图案又立即“隐形”。 而且,这种“一气呵现”还可以与胶体光子晶体阵列组装结合起来,实现呵致变色。这是因为往基底上哈气时,水份冷凝在亲水的水凝胶光子晶体处,使得组装成光子晶体颗粒的水凝胶微球溶胀而改变微球间距,从而导致水凝胶光子晶体发生肉眼可见的颜色改变——从蓝色变为绿色,当水份挥发后,水凝胶光子晶体又恢复到初始颜色。这种哈气即可实现隐形图案再现和颜色改变,不仅可以应用与防伪与信息存储等领域,而且还可以广泛应用于传感检测、疾病诊断等领域。 

  该研究得到国自然基金、广东省创新团队、广东省特支计划、粤港合作、深圳市孔雀团队等项目支持。 

  论文链接

图 1 (A)胶体光子晶体颗粒阵列化制备示意图;(B)不同颜色胶体光子晶体颗粒阵列及其表面形貌图与反射光谱(C)

图 2 (A)哈口气致液滴冷凝显现图案与液滴挥发后图案隐形;(B)哈口气致阵列化胶体光子晶体颜色改变