胶体光子晶体的磁组装与磁响应性能研究

胶体光子晶体能有效调制与光子禁带匹配的光学信号，是当前化学与材料领域的研究热点之一。其中，单分散胶体粒子"自下而上"的自组装过程是决定胶体晶结构与性能的关键因素，也是此类材料能否广泛应用的前提和基础。传统沉积组装方法在结构基元选择、组装效率、缺陷控制、大面积制备等方面仍有待改进。本申请拟采用磁性胶体粒子及磁场辅助的组装方式来构建新的胶体晶体系。这种磁性一维胶体晶体系具有折射系数高、组装迅速、晶体结构受外磁场调控、对磁场响应灵敏等特点。本研究工作将探索胶粒磁组装的机制，揭示外磁场、晶体微观结构与光学性质之间的内在联系；同时提供一条有效的胶体晶组装途径，促进胶体光子晶体在传感器、彩色显示单元等领域的应用，因而具有重要的科学意义和社会经济价值。

对外界作用能做出响应的胶体光子晶体材料是当前化学与材料科学领域研究的热点。围绕一种特定的组装方法，设计与之匹配的结构基元，并研究组装过程的本质和规律，发展功能导向的新材料，进而形成一套完整的胶体自组装体系，是胶体晶化学研究的主要方向。近年来，磁组装因组装迅速、过程可逆、对外场响应灵敏等特点，受到相关研究人员的关注和重视。本项目首先研究了“基于磁性结构基元的磁控胶体晶”。在外磁场作用下，溶液中的磁性胶体在磁吸引与静电排斥的相互作用下，形成动态的一维有序的链状结构。当磁组装在单体中进行时，有序结构可通过光聚合固定下来，形成胶体晶聚合物复合材料。在此基础上，我们开发了肉眼可辨识的基于结构色变化的湿度传感薄膜，在干燥时隐匿而浸润时显现的隐形光子晶体印刷物，以及基于光子晶体取向差异形成图案的新型磁控印刷术。受到磁空穴理论的启发，我们还研究了“基于非磁结构基元的磁控胶体晶”。在外磁场作用下，磁流体中的非磁胶体能够展现出与非磁环境下磁性胶体相似的磁相互作用，进而形成动态有序结构。选用非磁结构基元将突破磁组装局限于磁颗粒的瓶颈，有效拓宽了磁组装技术的应用范围。利用这一新的磁组装体系，我们发展了基于非磁结构基元的磁控变色溶液，并开发若干电磁场控制的光学器件。在项目研究过程中，我们还发现了溶剂包裹的介稳态胶体晶，并初步探索了它对外界扰动的超灵敏响应。上述研究不仅能提高胶体晶组装效率和质量，拓宽现有的胶体组装体系，对于开发基于胶体晶的新材料也具有重要的参考价值，将有力推动胶体晶化学的深入发展。