基于氢键的一维复合光子晶体及其可视化传感

作     者：孙略韬 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张连斌

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：一维光子晶体 氢键作用 共组装 刺激响应性能 可视化检测 

摘      要：近年来,光子晶体材料受到了广泛的关注。光子晶体是不同折射率的介质周期性排列而成的一类光学材料,并且具有光子带隙。通过将光子晶体结构和刺激响应性聚合物复合可得到响应性复合光子晶体。响应性复合光子晶体不仅具有光子晶体的光学性能,而且具有聚合物的柔性和响应性等。响应性复合光子晶体材料在受到外界刺激时,例如,溶剂、机械应力、电信号、光信号、温度和湿度等,材料的平均折射率或者晶格间距发生改变,使得反射光谱和结构色发生动态变化,从而实现对外界刺激的可视化检测。在响应过程中,光子晶体一般会整体发生形变和位移。然而,对于基于色彩变化的可视化检测而言,实际只体现在观察方向上的晶格间距变化。因此,构筑响应性一维复合光子晶体对于基于色彩变化的响应性光子晶体具有重要的实际意义。本论文选取结构简单的一维光子晶体结构与聚合物复合,通过共组装法一步构筑了基于氢键的一维光子晶体复合材料,探索了其在溶剂和剪切可视化检测方面的应用。本论文的主要研究成果如下:1、基于纤维素纳米晶氢键网络的一维光子晶体复合薄膜的构筑及其可视化含水量检测:合成水溶性的聚[N-(2-乙酰氨基乙基)丙烯酰胺](PAAE),并且选取可再生、来源广泛、制备简便的纤维素纳米晶(CNC)作为一维光子晶体结构的组装基元。利用CNC、葡萄糖(glucose)和PAAE通过溶剂挥发诱导自组装法一步制备了基于氢键网络的一维光子晶体复合薄膜(CNC-glucose-PAAE)。研究CNC-glucose-PAAE薄膜在不同比例四氢呋喃/水混合溶液中的反射光谱、结构色及循环稳定性。结果表明,随着混合溶液中含水量的提高,CNC-glucose-PAAE薄膜膨胀程度增加,反射峰和结构色进一步红移。由于PAAE的酰胺基团、CNC的羟基和葡萄糖的羟基形成氢键网络,氢键网络将三者紧密结合,使得CNC-glucose-PAAE薄膜的结构更稳定。在多次重复检测过程中,CNC-glucose-PAAE薄膜展现出良好的可逆性以及可重复性。2、基于纳米链的氢键复合光子晶体粘合剂及其服役失效可视化监测:通过磁场诱导碳包覆四氧化三铁(FeO@C)粒子自组装成一维纳米链,并利用原位光聚合策略将一维纳米链嵌入聚(2-[[(丁基氨基)羰基]氧代]丙烯酸乙酯)(Poly(BCOE))基质中,一步构建了基于氢键作用的一维复合光子晶体粘合剂(FeO@C-Poly(BCOE))。研究FeO@C-Poly(BCOE)光子晶体粘合剂在空气和水下的光学性能、粘附性能和剪切变色性能。FeO@C-Poly(BCOE)光子晶体粘合剂的氢键网络赋予其较高的内聚能,并且聚合物侧链上的氨基甲酸乙酯基团、酯基、丁基与不同基板之间形成静电相互作用、氢键作用、范德华相互作用、配位键以及疏水作用等,因此对不同基板具有优异的粘附性能。在剪切过程中,当剪切位移增加到1.5 mm时,FeO@C-Poly(BCOE)光子晶体粘合剂的最大反射峰从568 nm位移到664 nm,颜色由黄绿色变为深红色。FeO@C-Poly(BCOE)光子晶体粘合剂含有疏水性丁基,使其在水下保持良好的粘附性能和光学性能,因此也可用于水下环境的粘附状态监测。