響應(yīng)性光子晶體水凝膠的構(gòu)筑與應(yīng)用.pdf

1、光子晶體是指介電常數(shù)周期性變化的一類(lèi)材料，光子晶體能夠使光波產(chǎn)生衍射而實(shí)現(xiàn)光的調(diào)控。美國(guó)Science雜志在1999年把光子晶體列為未來(lái)六大研究熱點(diǎn)之一，預(yù)示了光子晶體研究在二十一世紀(jì)的廣闊前景。
　　通過(guò)光子晶體與刺激響應(yīng)性智能材料的結(jié)合，科學(xué)家們提出了響應(yīng)性光子晶體的概念。響應(yīng)性光子晶體的衍射光能隨外界刺激而變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界刺激的光學(xué)響應(yīng)，這一特性使得其成為目前光功能材料研究的熱點(diǎn)。從1996年至2012年，響應(yīng)性光子晶體

2、的研究存在三個(gè)基本問(wèn)題：在聚合物材料設(shè)計(jì)層面，其采用的大部分是具有 LCST性質(zhì)的聚合物或者弱聚合物電解質(zhì)，這兩類(lèi)聚合物都對(duì)溶液中的離子強(qiáng)度敏感，而受離子強(qiáng)度影響較小的強(qiáng)聚合物電解質(zhì)研究極少；在響應(yīng)的目標(biāo)層面，基本都是針對(duì)物理刺激和液體體系中的化學(xué)刺激的響應(yīng)，對(duì)氣體響應(yīng)研究?jī)H限于氧氣和濕度；在響應(yīng)的原理層面，聚合物響應(yīng)性光子晶體絕大部分都是基于凝膠膨脹收縮的響應(yīng)機(jī)制，而沒(méi)有利用浸潤(rùn)性機(jī)制構(gòu)建聚合物響應(yīng)性光子晶體的報(bào)道。
　　針對(duì)響

3、應(yīng)性光子晶體目前存在的三個(gè)問(wèn)題，本論文采用膠體晶體模板法制備了強(qiáng)聚電解質(zhì)基、二氧化碳響應(yīng)性、浸潤(rùn)性響應(yīng)性三類(lèi)光子晶體，系統(tǒng)研究了其響應(yīng)特性及響應(yīng)機(jī)理，具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　1）采用膠體晶體模板法制備了強(qiáng)聚電解質(zhì)基反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠。實(shí)驗(yàn)表明，強(qiáng)聚電解質(zhì)基陰離子、陽(yáng)離子響應(yīng)性光子晶體的對(duì)溶液中陰離子、陽(yáng)離子的響應(yīng)受離子水合半徑的調(diào)控，響應(yīng)濃度區(qū)間為10-4-10-2 M，最大歸一化波長(zhǎng)變化分別為0.11和0.08；強(qiáng)聚電解質(zhì)基兩性

4、離子響應(yīng)性光子晶體的對(duì)溶液中氨基酸的響應(yīng)濃度在10-2 M左右，最大歸一化波長(zhǎng)變化為0.06。
　　2）通過(guò)在強(qiáng)聚電解質(zhì)基陽(yáng)離子響應(yīng)性光子晶體水凝膠的基礎(chǔ)上修飾合適的配體，制備了能專(zhuān)一性識(shí)別特定重金屬離子的響應(yīng)性光子晶體水凝膠。實(shí)驗(yàn)表明，Cu2+、Pb2+、Ag+響應(yīng)性光子晶體的響應(yīng)濃度區(qū)間為10-8-10-3 M、10-10-10-3 M、10-8-10-4 M，最大歸一化波長(zhǎng)變化分別為0.11、0.13、0.065。這類(lèi)螯合型

5、強(qiáng)聚電解質(zhì)光子晶體水凝膠的響應(yīng)特性受螯合基團(tuán)與重金屬離子的絡(luò)合常數(shù)調(diào)控，重金屬離子被絡(luò)合后，形成了以磺酸根基團(tuán)-金屬離子-絡(luò)合基團(tuán)為中心的離子鍵-配位鍵交聯(lián)，使得水凝膠的有效交聯(lián)度上升，引起水凝膠體積收縮，光子晶體衍射峰藍(lán)移。
　　3）以二甲胺基丙基甲基丙烯酰胺作為功能單體，采用膠體晶體模板法制備了氣體二氧化碳敏感反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠。二氧化碳響應(yīng)性光子晶體的對(duì)二氧化碳的檢測(cè)靈敏度隨氣體樣品的總量而變化，當(dāng)氣體樣品量為0.15 mL

6、時(shí)，光子晶體薄膜對(duì)二氧化碳的響應(yīng)濃度區(qū)間為0-100 vol％，最大歸一化波長(zhǎng)變化為0.45；當(dāng)氣體樣品量為1 mL時(shí)，光子晶體薄膜的響應(yīng)濃度的線性區(qū)間為0-5 vol%，最大歸一化波長(zhǎng)變化為0.30。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，該響應(yīng)性光子晶體對(duì)二氧化碳響應(yīng)的機(jī)理包括兩方面：一是叔胺基團(tuán)與二氧化碳在水中形成離子對(duì)，使得滲透壓增壓，引起水凝膠的溶脹；二是叔胺基團(tuán)與二氧化碳在水中形成離子對(duì)后，親水性增加，使得聚合物與水的相互作用參數(shù)發(fā)生變化，引起水凝膠

7、溶脹。
　　4）通過(guò)對(duì)反蛋白石結(jié)構(gòu)聚合物進(jìn)行疏水性處理，實(shí)現(xiàn)了聚合物光子晶體的浸潤(rùn)性響應(yīng)。通過(guò)對(duì)接觸角的測(cè)量，證明了聚合物光子晶體的浸潤(rùn)性響應(yīng)條件符合反蛋白石結(jié)構(gòu)模型所表述的接觸角條件，臨界浸潤(rùn)角為22o左右。
　　5）通過(guò)對(duì)離子交換型反蛋白石結(jié)構(gòu)聚合物進(jìn)行連續(xù)疏水性處理，制備具有浸潤(rùn)性梯度的光子晶體水凝膠，并通過(guò)將浸潤(rùn)性響應(yīng)光子晶體水凝膠與響應(yīng)性Gemini表面活性劑相結(jié)合，利用Gemini表面活性劑轉(zhuǎn)變?yōu)閱捂湵砻婊钚詣┖?/p>

8、表面活性大大降低的特性，實(shí)現(xiàn)了水凝膠對(duì)溶液中小分子硫醇、NADPH等物質(zhì)的浸潤(rùn)性響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，有浸潤(rùn)性梯度的離子交換型反蛋白石結(jié)構(gòu)聚合物對(duì)不同種類(lèi)的表面活性劑呈現(xiàn)出不同的響應(yīng)行為：對(duì)具有相反電荷的表面活性劑呈現(xiàn)浸潤(rùn)性響應(yīng)，對(duì)兩性離子表面活性劑呈現(xiàn)浸潤(rùn)性響應(yīng)以及膨脹收縮響應(yīng)（紅移），而對(duì)于具有相同電荷的表面活性劑以及非離子表面活性劑的響應(yīng)不明顯。Gemini表面活性劑的浸潤(rùn)性響應(yīng)體系受 Gemini表面活性劑的還原程度控制，Gemini