Angew. Chem. :具有动态变形和变色能力的图案化光子致动器

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近年来,光子软致动器因具有在外部刺激下颜色和形状协同变化的能力,引起了科学界的广泛关注。光子软致动器的颜色来自于表面微纳结构(如光子晶体)对入射光的衍射、反射或干涉;当光子致动器感知外界刺激时,可依靠结构色准确直观地反映软致动器的细微变化。然而,目前整体式光子致动器的响应变形常常会导致颜色均匀性和循环性能差,且存在制备工艺繁琐耗时和变形量较小等缺点。因此,开发高效、快速、经济的方法来制造具有图案化颜色和大变形能力的图案化光子致动器具有重要的科学意义。


近日,东南大学杨洪教授课题组提出了一种非热压印技术,可用于快速制备基于近红外光响应液晶弹性体的图案化光子致动器。所制备的图案化光子致动器表现出明亮的角度依赖结构色、复杂的三维形状变化以及良好的颜色耐久性。作为概念验证,研究人员还制备了蝴蝶形状和千纸鹤形状的两种光驱动图案化光子软致动器,并研究了它们在近红外光照射下结构颜色和形状的协同变化行为。这种非热压印技术对图案化光子软机器人和智能致动器的设计和制造具有一定的指导和借鉴意义。


研究人员提出了简单、高效的非热压印技术,并成功制备出一系列图案化结构色薄膜、双层结构色带和光子致动器。如图1a所示,整个制造过程包括三个阶段:首先,利用掩模辅助技术在培养皿上自组装成图案化的聚苯乙烯微球阵列模板;随后,将涂覆有预聚物的液晶弹性体致动器放置在模板表面,并在紫外光照下快速聚合;最后与模板剥离获得图案化光子致动器。与文献中报道的传统制备方法不同,该非热压印技术可以在现有的致动器上简单快速地制造图案化微纳结构,并产生图案化结构颜色(图1b)。由此获得的图案化光子致动器表现出显著的特点,包括角度依赖的结构颜色变化、复杂的三维形状变化以及良好的颜色耐久性等(图1c-f)。



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图1. (a)图案化结构色膜的制备流程。(b)角度依赖的颜色变化行为和(c)颜色稳定性研究。(d)双层结构色带的制备示意图。(e)双层结构色带的光致形变行为。(f)双层光子爬行致动器在近红外光循环刺激下的运动及颜色变化。

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图2. 利用非热压印技术制备的两种图案化光子致动器:蝴蝶形致动器的(a)制备流程图和(b)实物图。千纸鹤形致动器的(c)制备流程图和(d)实物图。

基于这种非热压印技术,研究人员进一步制作了各种基于液晶弹性体的图案化光子致动器,并论证了其在近红外光照射下协同改变结构颜色和形状的能力。其中,蝴蝶形状的致动器可以在扇动翅膀同时产生结构颜色的动态变化(图2a,b),千纸鹤形状的致动器同时具备形状记忆、结构颜色信息存储和动态显示等特性(图2c,d)。这种非热压印技术的成功开发,可以有效简化具有复杂三维形变能力的光子软致动器的制备过程,并有望在安全防伪、信息存储和智能设备等多个领域得到广泛应用,推动相关行业的创新与进步。

文信息

Patterned Photonic Actuators with Dynamic Shape-Morphing and Color-Changing Capabilities Fabricated by Athermal Embossing Technology

Nina Qian, Jun Hu, Shuai Huang, Zhiyang Liu, Meng Wang,* Patrick Keller, Hong Yang*

博士研究生钱尼娜为论文的第一作者,东南大学杨洪教授和王猛副研究员为论文共同通讯作者,感谢国家自然科学基金(22325501、21971037、52173109)和科技部重点研发计划(2022YFA1405000)对本工作的资助。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202406534




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