光子禁带大范围可调水凝胶胶体晶体的制备和性能研究

The purpose of this project is to prepare stimulus-responsive polymerized hydrogel colloidal crystals with tunable photonic bandgap in a wide spectral range (UV - visible - near infrared), and study on their properties. The design uses one-step emulsion polymerization synthesis to fabricate the smart negative polystyrene-co-poly(N,N-dimethylacrylamide) (PS-co-PDMAA) hydrogel microspheres, with inner regions rich in hard and hydrophobic PS and outer regions of soft and hydrophilic PDMAA. Adjusting the polymerization parameters to make the microspheres have the uniform size and high coefficient of swollen volume. Via the centrifugation or electric field induced deposition, the synthesized PS-co-PDMAA hydrogel microspheres self-assembles readily, leading to the formation of three-dimensional close-packed hydrogel polymerized colloidal crystals (PCCs). Combining with the theoretical models, analyse the mechanical changes of the responsive system. Accordingly, achieve the photonic bandgap of PCCs shifting in wide spectral range with alternative macro-structural colors, by control of the size、 volume swelling ratio of the building microspheres, the self-assembly conditions and the external stimulative parameters. Further, study the PCCs in the optical element and ion detection.

本项目拟制备一种光子禁带在大范围光学区域内（紫外-可见-近红外）可调的水凝胶胶体晶体（PCCs），并对其性质进行研究。设计采用一步乳液聚合法合成负电性聚苯乙烯-co-聚N，N-二甲基丙烯酰胺(PS-co-PDMAA)水凝胶纳米微球，调节聚合参数使合成的微球尺寸均匀，体积溶胀系数高；通过离心、电场等方式诱导微球自组装成响应性三维密堆积PCCs。结合理论模型分析体系的变化响应机理，调控微球的尺寸、体积溶胀比，自组装条件和外界刺激参数，实现PCCs的光子禁带在大范围光学区域内可控调节，宏观结构色可控多变。进而研究PCCs在光学元件，离子检测方面的应用。

随着纳米技术的发展，具有一定形貌和功能性质的纳/微米结构材料的制备及应用研究已经成为一个重要发展方向，并不断向着智能化和高性能化迈进。其中，具有结构色可控变化功能材料的构造和理论探索引起了人们的广泛兴趣。.基于此，本项目设计合成一种光子禁带在大范围光学区域内（紫外-可见-近红外）可调的水凝胶胶体晶体（PCCs），并对其性质进行研究。将具有刺激响应功能的高分子水凝胶作为部分构筑基元引入到胶体晶体当中，通过离心、电场等方式诱导微球自组装成响应性三维密堆积PCCs，制备出具有智能响应功能的光子晶体材料。主要研究结果阐述如下：（1）通过电泳的方式控制微球在乳液中的迁移组装速度或者调节电场强度均可有效控制水凝胶聚合物微球的有序组装，获得了理想的光子禁带位置和结构色刺激响应性的光子晶体材料。（2）获得的具有刺激响应性质的PS-co-PDMAA Microspheres水凝胶胶体晶体光子禁带位置可控调节，且峰型较窄，结构色明丽。（3）在一定电场强度下，控制水凝胶微球电压负载和去负载时间，PCCs的光子禁带位置呈现明显可重复性变化。（4）进一步，通过对不同图案化区域施加不同的负载电压，可以控制不同区域内图案同一时间显示出不同的结构色。在水凝胶核壳微球构筑大面积三维PCCs，利用电场控制其光子禁带图案化规律性可逆调节方面得到很大进展，实验内容完善，理论分析充分。.此外，以本项目为依托，在荧光智能温度响应聚合物水凝胶微球的制备与性质研究、合成水溶性C-dots荧光生物探针、燃煤电厂中/低温SCR脱硝催化剂的制备、金属纳米簇的合成与传感应用等多个方面均开展了新的研究工作并取得一定的研究成果。.申请人在本项目完成期间共发表带基金资助号的SCI研究论文6篇，大于3的SCI论文3篇；授权专利3项，在申请专利2项。