自修复结构色纳米复合薄膜的组装及光学性质调控

Structure colored materials have promising applications in full-color displays, optical waveguides, bio/chemical sensors and other novel optical devices. But the traditional structure-colored materials couldn’t restore functions from mechanical damages autonomously, which greatly hinders their real-world applications due to their low structural stability and short lifespans. In this project, series of autonomously self-healable structure-colored nanocomposites with controlled photonic structures and thus different optical performances will be developed. The colloidal or colloidal crystal bead arrays in the nanocomposites provide the optical properties and the self-healing polymer matrix secures the structure and optical stability. The self-healable structure-colored nanocomposites provides an ideal strategy for stable structure colors with long lifespans, which will greatly promote their the applications in displays, sensors and other high performance optics.

结构色材料在全色显示、光波导、化学/生物学传感器等新型光学器件中具有非常诱人的应用前景。但传统结构色材料在其结构受到破坏后往往不能自动快速恢复其光学性质，严重影响了结构色材料的色彩稳定性和相应光学器件的使用寿命。因此，结构色材料在高性能光学器件中的广泛应用受到了极大的限制。本项目拟利用单分散胶体微球或胶体晶体微珠阵列结构提供光学性质，同时借助自修复超分子聚合物框架网络维持光学结构和光学性质的稳定性，发展几种具有可控光学结构和光学性质的自修复结构色薄膜。自修复结构色纳米复合薄膜的简便制备为提高结构色材料的结构稳定性和延长其使用寿命提供了理想解决方案，将在很大程度上推动结构色材料在显示、传感器等高性能光学器件中的广泛实际应用。

无角度依赖结构色材料在显示、传感、包装等众多领域具有重要的应用，但其弱的机械稳定性和低色彩亮度问题是限制其广泛应用的两大瓶颈。针对上述难题，本项目通过共组装的方法将自修复超分子有机凝胶引入无序光学结构，在国际上率先发展了自修复无角度依赖结构色纳米复合薄膜。纳米复合薄膜借助自修复凝胶的动态可逆键合作用，维持结构色材料光学结构和光学性质的稳定性。这种新型结构色材料在受到破坏后，可于数十秒内反复恢复结构色色彩及机械性能，其快速的自修复性能不仅将极大地提高光学器件的使用寿命而且还可以维持超低粘性的表面润滑性质，从而有效避免传统结构色材料在应用环境中易受污染的问题。该纳米复合薄膜的优异性质有利于结构色材料在户外光学器件领域中的应用。进一步，受自然界中简便、高效的相分离策略实现对光学结构精确控制的启发，我们通过调控共组装前驱体中硅油的含量，借助硅油诱导的连续两步相分离，实现了分级光学结构纳米复合薄膜的制备。较传统的无序光学结构材料相比，分级光学纳米复合薄膜具有更优异的光学性质、> 1600%的拉伸性能和独特的在变形状态下维持结构色稳定的能力。这些先进性能有望推动结构色材料在可穿戴光学器件中的应用。第三，通过将石墨烯材料（石墨烯纳米片和石墨烯量子点）引入无序光学结构，发展了高亮度无角度依赖结构色薄膜，并开发了高亮度可视化结构色传感器。石墨烯纳米片可以均匀吸收无序光学结构引起的非相干光散射，从而有效提高结构色材料的色彩饱和度；石墨烯量子点的随激发波长调控的光致发光特性则有助于对结构色色彩的亮度进行补偿。本项目将有效推动无角度依赖结构色材料的在智能颜料、新型可视化传感器、户外显示、可穿戴光学器件等领域的广泛应用。