第一作者：冯光娜通信联系人：赵海利单位：昆明理工大学化学工程学院

研究背景

       光子晶体是一种折射率呈周期性变化且具有光子带隙特性的新型功能材料，因其独特的光学特性已受到光学、材料科学和信息技术等领域研究者广泛关注。然而随着新材料的不断涌现和光子晶体的应用创新，传统的非响应性或单一刺激响应性光子晶体已经不能满足相关领域的要求。

文章重要内容

       基于上述背景，昆明理工大学化学工程学院的赵海利副教授课题组，使用具有温度敏感特性的壳聚糖和良好导电性能的多壁碳纳米管(MWCNTs)制备了具有反蛋白石结构和多重响应特性的多功能光子晶体水凝胶并深入探究了其响应性能。研究结果表明，所制备的水凝胶膜呈现出有序的六方体结构因而其表面呈现出亮丽的结构色，而且通过改变SiO₂的粒径可以实现对光子晶体水凝胶膜表面结构色的有效调控。此外，光子晶体水凝胶膜展现出对温度和压力刺激的双重响应特性。更重要的是，该光子晶体水凝胶膜在应变响应时表现出双信号输出特性，在拉伸、压缩和弯曲等作用下不仅能够呈现出结构色变化，还能检测到明显的相对电阻变化。该工作对光子晶体水凝胶膜在多功能传感、新型结构色材料及防伪材料的设计等领域的应用具有重要的指导意义。

文章概述

       在温度响应方面，作者制备了不同孔径的光子晶体水凝胶薄膜，如图1(a)所示。Sample 1和Sample 2表面初始颜色分别为蓝色和绿色，放入60 ℃的水中后迅速变为绿色和红色，这是因为壳聚糖是一种亲水性高分子材料，其分子链上的羟基和氨基等亲水基团能够与水分子形成较强的水合作用。温度升高时，分子的热运动加快，亲水基团与水分子之间的水合作用增强，使得更多的水分子被吸附到水凝胶内部，引起水凝胶的溶胀。当温度变化时，水凝胶体积溶胀或收缩导致光子晶体的晶格间距变化，进而导致膜表面的结构色发生变化。如图1(b)所示，随着温度从20 ℃升高至80 ℃光子晶体水凝胶膜表面的结构色由蓝绿色逐渐过渡到红色，且每升高10 ℃都具有较为明显的颜色变化。当将膜再次放回20℃的水中时，其表面颜色又变化蓝绿色，可见该光子晶体水凝胶膜温度响应具有可逆性，图1(c)为水凝胶膜冷-热水中循环时波长变化，结果显示水凝胶膜在环境温度循环交替时能够呈现出稳定的颜色变化。

图1 (a-b) PC 水凝胶薄膜在不同温度下的结构颜色变化；(c)水凝胶薄膜在 20℃和 60℃循环测试中的最大反射波长

在外力响应方面，对光子晶体水凝胶膜施加压力时其颜色由红色变为蓝色，而撤销压力后颜色则恢复，如图2(a)所示。这是因为压力作用会导致光子晶体中的有序多孔结构被挤压呈扁平状，从而使其晶面间距变小，薄膜呈现蓝色；而当压力消失后孔径则恢复。光子晶体水凝胶膜中含有导电材料MWCNTs，因此当外力作用时其不仅能够呈现结构色变化，还能够反馈电信号变化。如图2(b)所示，当施加压力时，碳管纤维变形或断裂，原本连续、高效的导电网络被破坏，电子传导路径受阻，从而导致电阻增大；而压力消失时，导电网络得以恢复，相对电阻降低。图2(c)为光子晶体水凝胶膜在压力循环作用下的最大反射波长，由图可见，整个“按压-释放”循环过程中，水凝胶膜的反射峰值在635 nm和580 nm之间稳定地变化。此外，水凝胶膜在拉伸和弯曲作用下也呈现出快速、可逆的电响应和明显的颜色变化，如图2(d)-(g)所示。以上结果表明，该光子晶体水凝胶膜在拉伸、压缩和弯曲作用下能够呈现出明显的响应行为和双信号输出特性。

图2 (a) PC 水凝胶薄膜在压缩释放过程中的结构颜色变化；水凝胶薄膜在循环压缩释放试验、拉伸释放试验和弯曲释放试验过程中的实时相对阻力(b, d, f)和最大反射波长(c, e, g)。

本文报道了一种对温度和外力具有双重响应特性以及双信号输出能力的光子晶体水凝胶膜，该传感薄膜在高性能、多功能传感领域展现出巨大的应用前景。

该工作以研究论文形式即将在《高分子学报》2025年第5期印刷出版。

冯光娜, 李可歆, 陈涛, 赵海利 .结构色可控光子晶体水凝胶的制备及多重响应特性 .高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2024.24301Feng, G. N.; Li, K. X.; Chen, T.; Zhao, H. L.Fabrication of photonic crystal hydrogels with controllable structural colors and multi-stimuli responsiveness. Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2024.24301CSTR: 32057.14.GFZXB.2024.7350