基于物理凝胶的光子纸制备与性能研究

This project is mainly focus on the design and fabrication of photonic paper materials based on physical hydrogels, and investigates their applications in invisible printings. Firstly, the physically gelated hydrogel is utilized to form a hydrogel-based photonic crystal material, by using the physical properties of the gel is easy to preparation, and a thermal sensitive photonic switch is designed by positive ionization of the hydrogel. And a second photo-polymerization is designed for the preparation of multi-responsive photonic paper materials, during the photo-polymerization, the invisible printing of photonic paper could be obtained by cover a mask with certain pattern. Scanning electron microscopy, nuclear magnetic resonance and optical fiber spectroscopy could be utilized for the characterization of the photonic paper and establish the relationship between the response sensitivity and the microstructure of the photonic paper. This proposal faces the experiment and theory, including the preparation, modification, characterization and theoretical study of the photonic paper materials, and provides new ideas for the future design and developing of intelligent photonic crystal materials with multi-sensitivity.

本项目主要是设计与制备基于物理凝胶的光子纸材料，并研究其在隐形标记方面的性能。首先利用物理凝胶易于制备的特性，实现光子晶体材料的包覆；通过正离子化修饰，制备温度开关型光子纸材料；以二次化学聚合方法，制备多响应性光子纸材料；最后，通过在二次聚合过程施加图形掩膜实现对光子纸的隐形标记，利用扫描电镜、核磁共振、光纤光谱等表征手段，建立凝胶网络结构与响应灵敏度之间的关系。本项目以实验与理论相结合，包括材料制备改性、性能测试分析与理论研究探索三部分，希望为开发出具有多重指示功能的智能型光子晶体材料提供新思路。

光子晶体是一种具有周期性结构的功能材料，其基本特征是具有光子带隙。光子晶体理论诞生已三十年，基于理论及实验的研究取得了许多成绩。当所制备的光子带隙与光波的波长相当时，光子晶体材料抑制光子在一定频段内的传播。由在光学、电学、热学、磁学等方面均有优良特性和潜在应用。本项目设计制备了基于聚乙烯醇（PVA）物理凝胶的光子晶体材料，并研究其在功能涂层、隐形标记光子纸及传感方面的性能。.1. 利用PVA物理凝胶易于制备的特性，对光子晶体模板材料进行固定，实现了功能化涂层的制备；在此基础上，以二次化学聚合方法，制备多响应性光子纸材料，分别讨论归纳了不同的传感机理；.2. 基于上述光子纸材料，利用二次聚合过程施加图形掩膜实现对光子纸的隐形标记，其显色/隐形的过程完全可逆。润湿显色状态下，红色部分反射峰在~632 nm，而绿色部分反射峰在~540 nm，两者的Δλ接近100 nm，从干燥状态到完全显色仅需~10 s。此外，通过正离子化修饰，制备了温度开关型光子纸材料;.3. 将聚合物微球自组装在硬性角膜接触镜表面，将PVA物理凝胶包封光子晶体模板后，用4-醛基苯硼酸（4-BBA）修饰形成葡萄糖响应的凝胶光子晶体。其检测的灵敏度为41.83 nm/(mmol/L)，极限为0.01 mmol/L，响应时间为200 s。.项目研究成果发表标注论文18篇，包括EI收录3篇、SCI收录12篇，其中第一作者7篇，通讯作者1篇；申请发明专利5项，其中已授权2项。研究期间，项目负责人获聘副教授并担任上海第二工业大学曙光研究院院长，此后入选2018年上海第二工业大学优秀青年教师。