分级多孔刺激响应光子晶体的仿生构建及特性研究

In terms of hierarchically structured stimuli-responsive photonic crystals, the existence of hierarchical structures would make a great contribution to the enhancement of properties. Unfortunately, it is still a tough task to fabricate photonic crystals with hierarchical structures. Inspired by the hierarchically photonic structures of the biological species , the project will focus on the exploration of hierarchically structured responsive photonic crystals and investigation of their responsive properties. We choose natural species, which possess photonic structures, as the template. By controlling the reaction conditions, uniform growth of polymer in the template are performed. It is anticipated that the resultant materials can inherit the hierarchical photonic structures from the biological species. At the same time, keeping the functionalities from polymers. Based on the results, we intend to construct multifunctional materials with hierarchical structures through assembly of functional metal or metal oxide nanoparticles (Au，Ag，Fe3O4) in the system. The resultant composite would be responsive to the multiple stimulus. In-situ X- ray scattering method as well as some other measurements will be employed to detect the response characteristics (such as pH, humility, temperature, magnetism) . Finally, we will clarify the response mechanism based on the results together with FDTD simulations. All of these are expected to play an important role in developing tunable photonic crystal with high selectivity, high cyclability and rapid response, such as optical biological detector or chemical sensors.

分级结构刺激响应光子晶体，由于分级结构的存在，极大地有利于响应性能的提高。针对分级光子结构制作难度大，刺激响应性能有待提高的问题，本项目拟以具有多层次、多维光子结构的生物体为模板，结合功能聚合物l对光、电、热和化学物质的响应性，通过控制反应，控制聚合物在生物分级多孔结构中的生长，制备具有分级结构的刺激响应聚合物光子晶体，探索在光化学、光生物传感上的应用；进一步地，通过复合具有光、电、磁特性的金属或金属氧化物纳米颗粒（如Au，Ag，Fe3O4），构建具有分级结构的多功能体系，实现其对多重外界刺激的响应；利用原位X-射线散射检测技术结合其他测试方法，研究不同类型外界刺激驱动（如pH、湿度、温度、磁等）的响应特性；通过实验结果结合有限时域差分（FDTD）拟实的方法，阐明光子晶体的刺激响应机制和规律，为开发高选择性、高重复性、快速响应的光化学、光生物传感器的设计和制备提供技术模型和理论支持。

分级结构刺激响应光子晶体，由于分级结构的存在，极大地有利于响应性能的提高。针对分级光子结构制作难度大，刺激响应性能有待提高的问题，本项目以具有多层次、多维光子结构的生物体为模板，开发了表面改性-原位聚合的方法，成功制备了具有分级光子结构的温敏光子晶体材料。制备过程中，通过引入能够同时与蝶翅模板和温敏聚合物聚N-异丙基丙烯酰(PNIPAM)成键的戊二醛小分子，使PNIPAM通过化学键连接在蝶翅模板表面，保证了高分子材料的均匀包覆，以保留蝶翅模板的精细结构；进一步地，在温敏光子晶体研究基础上，进一步引入具有光热特性的四氧化三铁纳米粒子，制备得到四氧化三铁/PNIPAM与蝴蝶翅膀的三元复合体系，该体系具有红外光诱导的光敏/温敏响应光子晶体特性。在红外光照射下，四氧化三铁能够将红外光转化为热量，造成体系温度上升，从而引发温敏聚合物PNIPAM相变，进而引起材料的光谱发生变化，实现其对多重外界刺激的响应；基于以上研究，进一步考察了不同生物模板光子结构对刺激响应性能的影响。通过选择三种不同结构的蝶翅模板，分别为具有树枝状一维光子结构的大蓝闪蝶和黑框蓝闪蝶以及一维凹坑光子结构的巴黎翠凤蝶亮斑，合成了一系列的湿度响应性光子晶体。结果表明，三种结构的湿度响应性光子晶体材料都能够保留生物模板本身的微观结构，且都对外界湿度具有明显的响应特性。对于同样以具有一维树枝状光子结构的蝶翅为模板所制备的响应性材料，保留的模板内部微观周期性结构的数量不同，仅影响刺激响应时反射峰峰的强度。对于以不同结构的蝶翅为模板制备得到的响应性材料，模板的微结构不同则影响刺激响应时的光谱变化范围，相较于一维树枝状结构的光子结构，巴黎翠凤蝶的一维凹坑状结构对折射率的改变灵敏度更高，具有更大的光谱位移范围。实验结果为优化生物模板的选择提供了理论和实验基础，为进一步研究生物模板法制备响应性光子晶体材料提供了指导作用。