多重编码信息存储用光子晶体/水凝胶微球阵列的构建及其可调制多重响应行为

This work will focus on photonic crystal/hydrogel composite microsphere arrays and their multi-controlling mechanism based on opal/inverse opal structures. First of all, we fabricate CdS photonic crystal microspheres by assembling CdS nanoparticles via microfluidics method. Furthermore, we design four types of hydrogels and selectively combine them with CdS photonic crystal microspheres separately, establishing hydrogel/photonic crystal composite microspheres based on opal structures. The relationship between hydrogel structure and photonic band gap of microsphere array under external stimuli will be discussed in detail. It can realize multiple coding function for information storage via bulk-assembly of photonic crystal/hydrogel microsphere array. Afterwards, we apply microfluidics method to assemble SiO2 photonic crystal microspheres identically and combine with temperature/pH-responsive hydrogel, thus fabricate hydrogel/photonic crystal composite microspheres based on inverse opal structures after photonic crystal template being etched. The stimuli-response color change with bidirectional modulation can be achieved by adjusting photonic band gap. Finally, the microspheres are dispersed into specific solvent to fabricate recognizable color change display patterns via writing and printing methods. This work has a significant value for the application of photonic crystals and hydrogels in multiple information storages, intelligent sensors, and photoelectron display devices.

本项目拟开展基于蛋白石及反蛋白石结构的光子晶体/水凝胶复合微球阵列的构建及其多重响应机制的研究。首先采用微流控方法，通过组装CdS纳米粒子构建CdS光子晶体微球，选择性填充四种类型响应性水凝胶，制备蛋白石结构光子晶体/水凝胶复合微球；研究外界刺激引起的水凝胶结构与微球阵列光子带隙之间的关系，构建多模块光子晶体/水凝胶微球阵列，实现不同刺激条件下的多重编码信息存储功能。再采用微流控方式制备SiO2光子晶体微球，与温度/pH双重响应水凝胶体系复合，刻蚀SiO2模板，制备反蛋白石结构光子晶体/水凝胶复合微球；通过外界刺激调控反蛋白石光子带隙，实现向长波及短波区域双向调制的刺激响应变色行为，最终将反蛋白石结构微球分散于溶剂中，经书写及打印方式，形成可调制变色识别显示图案。该项目的研究为光子晶体及水凝胶材料在多重信息存储、智能传感器及光电子显示器件等领域的应用提供重要参考价值。

本项目开展了构建多重编码信息存储用光子晶体/水凝胶微球阵列及多重调控机制与应用研究。我们成功完成了四方面的研究内容，达到了预期目标。第一，构建了实时多重响应型蛋白石结构光子晶体/水凝胶微球及阵列。第二，构建了可调制多重响应反蛋白石结构光子晶体/水凝胶微球及复合材料。第三、研究了多重编码信息存储的蛋白石结构光子晶体/水凝胶阵列可调制多重响应机理及应用。第四、研究了可调制多重响应反蛋白石结构光子晶体/水凝胶微球的变色响应机理及应用。我们构建的可调制多重响应光子晶体/水凝胶微球可通过光、热、磁等调控形成多色点阵和多色图案，已成功应用于光学显示、信息编码、多级防伪、农残检测等领域。依托本项目，我们在SCI刊物上发表论文18篇，其中2篇为封面文章。申报及授权发明专利7项。参加了7次学术会议，发表会议论文合计26篇。累计获奖2人次。培养博士研究生5名，硕士研究生13名，其中，毕业博士3名、毕业硕士8名。部分研究成果在国防项目上得到应用，并通过鉴定。该项目研究成果将在光子器件、信息安全以及传感器等领域提供重要参考价值。