快速响应的光子晶体异质凝胶材料、其制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及磁性纳米光电材料的制备领域，特别是涉及一种快速响应的光子晶体异质凝胶材料、其制备方法及应用，由响应性光子晶体纳米链在磁场下取向后作为分散相固定在非响应性连续相基体材料中构成，所述响应性光子晶体纳米链是由单分散的磁性纳米粒子在响应性凝胶壳层中等粒子间距排列而成的一维纳米结构，发生响应时，响应性光子晶体纳米链的壳层物质发生收缩或膨胀，导致光子晶体纳米链中的粒子间距发生变化，使光子纳米链的颜色发生变化，同时非响应性连续相基体材料的体积不会发生变化。显著提高了链的稳定性，无需磁场也可显示出结构色，响应快，制备方法简便，对环境友好，在电致变色、温致变色、显示器件和传感等领域有巨大的应用前景。域有巨大的应用前景。域有巨大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
快速响应的光子晶体异质凝胶材料、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及磁性纳米光电材料的制备领域，特别是涉及一种快速响应的光子晶体异质凝胶材料、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]响应性光子晶体纳米链作为最小显色单元（Nano Letter. 2020年，第20卷，803页），以其独特的结构优势——纳米尺度的响应性凝胶作为壳层将等间距单分散的磁性粒子包裹成“豆荚”结构——在传统的响应性光子晶体传感器中脱颖而出，纳米尺寸的响应性聚合物壳层能够使离子或其他物质快速扩散，并且也能够更快地达到溶胀收缩平衡，从而实现快速响应（光子带隙可调的柔性光子纳米链及其制备方法和应用CN104629232A）。依据此原理制备出了温敏响应型光子晶体纳米链（调控Fe3O4@PVP@PNIPAM磁性光子晶体纳米链粒子间距的方法CN110423305A）和葡萄糖响应型光子晶体纳米链（葡萄糖响应性光子晶体传感器、其制备方法及使用方法CN110987820A）等功能光子晶体材料。
[0003]但目前发展的响应性光子晶体纳米链仅能悬浮分散在液体之中，需要持续施加磁场，使光子纳米链保持取向性才能显示出颜色。此外，在需要重复使用时，清洗再分散的过程容易造成光子纳米链的损耗、缠结或断裂，导致光学性能变差。最后链状结构悬浮于液体之中，随溶液漂移，易造成样品的污染。上述不足限制了其在电致变色、温致变色、显示器件和传感等领域的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的之一在于提供一种快速响应的光子晶体异质凝胶材料，针对现有响应性光子纳米链在使用中易损耗、缠结、断裂、污染样品且只能在持续施加磁场下才能使用的缺点，将响应性光子纳米链作为分散相取向后固定在非响应性连续相基体材料之中。响应性光子晶体纳米链固定后无需磁场也可显示出结构色，重复稳定性好且响应速度快。
[0005]本专利技术的目的之二在于提供一种快速响应的光子晶体异质凝胶材料的制备方法，方法简便，易于控制，且生成产物无毒无害，对环境友好。
[0006]本专利技术的目的之三在于提供一种快速响应的光子晶体异质凝胶材料的应用。
[0007]本专利技术实现目的之一采用的技术方案为：一种快速响应的光子晶体异质凝胶材料，由响应性光子晶体纳米链在磁场下取向后作为分散相固定在非响应性连续相基体材料中构成，所述响应性光子晶体纳米链是由单分散的磁性纳米粒子在响应性凝胶壳层中等粒子间距排列而成的一维纳米结构，发生响应时，响应性光子晶体纳米链的壳层物质发生收缩或膨胀，导致光子晶体纳米链中的粒子间距发生变化，使光子纳米链的颜色发生变化。但此时作为非响应性连续相基体材料的体积不会发生变化。
[0008]优选地，所述磁性纳米粒子至少含有铁、钴、镍中的至少一种元素。
[0009]优选地，所述响应性光子晶体纳米链包括对离子、分子、温度、电场中至少一种响应的光子晶体纳米链。
[0010]优选地，所述响应性凝胶壳层包括pH响应性聚合物、溶剂响应性聚合物、温度响应性聚合物、糖类响应性聚合物和电场响应性聚合物等。
[0011]优选地，所述响应性凝胶壳层至少包含以下一种基团：羧酸、氨基、磺酸、羟基、吡啶基、磷酸、酰胺、苯硼酸基团。pH响应性聚合物包括但不限于聚丙烯酸（PAA）、聚甲基丙烯酸（PMAA）、聚甲基丙烯酸甲酯、聚N
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丙烯酰胺基丙烯酸等中的至少一种；离子响应性聚合物包括但不限于PAA、PMAA、聚苯乙烯苯磺酸、聚甲基丙烯酸磺酸、聚丙烯酸硫酸等中的至少一种；温敏响应性聚合物包括但不限于聚N
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羟乙基丙烯酰胺、聚（N
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异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）、聚（N
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异丙基甲基丙烯酰胺）、聚N,N
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二乙基丙烯酰胺等中的至少一种；溶剂响应性聚合物包括但不限于聚甲基丙烯酸羟乙酯（PHEMA）、聚甲基丙烯酸甲酯等中的至少一种；糖类响应性聚合物包括但不限于聚3
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丙烯酰胺基苯硼酸（PAAPBA）、聚3
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甲基丙烯酰胺基苯硼酸、聚4
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乙烯基苯硼酸等中的至少一种；电场响应性聚合物包括但不限于PAA、PMAA、PHEMA、聚甲基丙烯酸甲酯、聚N
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丙烯酰胺基丙烯酸等中的至少一种。
[0012]优选地，所述非响应性连续相基体材料为针对检测环境不发生响应的材料。所述非响应性连续相基体材料为当包埋在其中的光子晶体纳米链发生响应时，自身不发生响应的多孔材料，且与包埋在其中的响应性光子晶体纳米链壳层物质不为同一种。
[0013]响应性光子晶体纳米链具备离子、分子、温度和电场响应性，并且由于外层包裹的响应性凝胶厚度在数十纳米级别，保证了其快速响应的特点；其响应原理在于响应性凝胶壳层在接触到特定物质时或受到外界环境的影响时，壳层会发生体积的变化改变粒子间距，从而衍射出不同波长的颜色光。
[0014]优选地，离子响应包括pH响应、离子强度响应、离子选择响应和离子交换响应等中的至少一种；分子响应包括溶剂响应、糖类响应、生物分子响应等中的至少一种。
[0015]电场响应包括pH电场响应、离子电场响应和电场力响应等中的至少一种；pH电场响应为通过电解水的方式在正负极产生氢离子和氢氧根离子从而使pH响应性光子晶体纳米链发生变化；离子电场响应为通过电场的方式控制体系中离子的定向迁移在正负极之间产生浓度梯度从而对不同区域的链形成不同程度的静电屏蔽影响进而实现衍射波长的变化；电场力响应是响应性光子晶体的响应性凝胶壳层的主链上固定有带电基团从而受到电场效应的影响，进而改变衍射波长。
[0016]作为连续相的非响应性材料基体作为支架起到支撑响应性光子晶体纳米链的作用，并且不会被响应物质或环境的改变影响；在固化前非响应性材料为液态，可以通过化学或物理等方式将其固化。
[0017]优选地，所采用的非响应性连续相基体材料包括聚丙烯酰胺、琼脂糖、明胶、醋酸纤维素、硝酸纤维素、聚乙烯醇等中的至少一种。
[0018]本专利技术实现目的之二采用的技术方案为：一种所述的快速响应的光子晶体异质凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将响应性光子晶体纳米链分散在含有非响应性连续相基体材料前驱体的溶液中，得到含有链的分散液；步骤二、将步骤一所得分散液置于磁场中，待链取向后将分散液固化变为固体材料，得到快速响应的光子晶体异质凝胶材料。
[0019]优选地，所述步骤一中，分散液中响应性光子晶体纳米链的浓度为1~100mg/ml。
[0020]优选地，所述步骤一中，非响应性连续相基体材料在前驱液中的浓度为0.001~0.5g/ml。
[0021]优选地，所述步骤二中，磁场大小50~3000高斯。
[0022]优选地，磁场大小可根据需要选择，磁场强度越大，越好取向，本专利技术中受限于常用磁场发生设备，磁场大小为50~1000高斯。
[0023]本专利技术中响应性光子晶体纳米链的制备方法为：（1）将单分散的磁性纳米粒子与聚合单体、引发剂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速响应的光子晶体异质凝胶材料，其特征在于：由响应性光子晶体纳米链在磁场下取向后作为分散相固定在非响应性连续相基体材料中构成，所述响应性光子晶体纳米链是由单分散的磁性纳米粒子在响应性凝胶壳层中等粒子间距排列而成的一维纳米结构，发生响应时，响应性光子晶体纳米链的壳层物质发生收缩或膨胀，导致光子晶体纳米链中的粒子间距发生变化，使光子纳米链的颜色发生变化，同时非响应性连续相基体材料的体积不会发生变化。2.根据权利要求1所述的快速响应的光子晶体异质凝胶材料，其特征在于：所述磁性纳米粒子含有铁、钴、镍中的至少一种元素。3.根据权利要求1所述的快速响应的光子晶体异质凝胶材料，其特征在于：所述响应性光子晶体纳米链包括对离子、分子、温度、电场中至少一种响应的光子晶体纳米链。4.根据权利要求3所述的快速响应的光子晶体异质凝胶材料，其特征在于：所述离子响应包括pH响应、离子强度响应、离子选择响应、离子交换响应中的至少一种；分子响应包括溶剂响应、糖类响应、生物分子响应中的至少一种，电场响应包括pH电场响应、离子电场响应和电场力响应中的至少一种。5.根据权利要求3所述的快速响应的光子晶体异质凝胶材料，其特征在于：所述响应性凝胶壳层包含羧酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗巍，肖敦逸，马会茹，官建国，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：