[發明專利]透明復合光子晶體材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201810008537.0
• 申請日: 2018-01-04
• 公開（公告）號: CN108287378B
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發明（設計）人: 汪長春;克里斯蒂安·格哈德·謝弗;董旭;吳攀
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00;C08F220/14;C08F222/14;C08F220/18
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于聚合物材料技術領域，具體為透明光子材料及其制備方法和應用。本發明透明光子材料主要包括兩種材料，第一種材料的顆粒在第二種材料的基質中排列成三維周期結構，在初始狀態下，材料為透明；在外部刺激條件下，兩種材料的折射率發生相應變化，由此材料由無色透明變成有顏色；從而提供具有不同響應的加密的光子圖案。例如這些透明光子材料可以通過浸入溶劑中，將加密在光子晶體結構上的圖像或字符顯示為通用彩色圖案。本發明還提出透明光子材料作為傳感器裝置在安全和防偽應用領域中的應用，比如具體用于制造大面積透明光子晶體膜，該大面積透明光子晶體膜可以完全可逆地在高度透明和結構色狀態之間切換。

技術領域

本發明屬于聚合物材料技術領域，具體涉及透明光子材料及其制備方法和應用。本發明對于響應于外界刺激而改變顏色的材料具有特定但不排他的適用性，例如用于傳感器和安全防偽應用中。

背景技術

具有鮮艷結構色彩的光子晶體材料在自然界中廣泛存在，比如蝴蝶等昆蟲，花卉甚至天然的蛋白石寶石。另一方面，還有一些動物，例如變色龍，某些甲殼蟲，或章魚有能力根據周圍的環境調整自己皮膚的顏色。

在微觀尺度上，天然蛋白石由直徑為150至300nm的二氧化硅球組成，以密堆積的面心立方（fcc）晶格結構排列。因為球體堆積平面之間的距離在可見光的長度范圍內，根據布拉格定律，因而可以反射一定波長的可見光。所以如果白光照在蛋白石上，彩虹的所有顏色都會被反射并可觀察到。

目前已有報道生產人工合成的類蛋白石材料。例如，US-A-4703020公開了通過使二氧化硅球從水分散體系中沉淀出來形成這種材料。然后將該沉淀物在800℃下干燥和煅燒。隨后，使鋯烷氧化物溶液滲透到沉淀物中的空隙中，氧化鋯通過水解沉淀在間隙中。然后將材料再次煅燒，以留下二氧化硅球排列形成三維晶格、氧化鋯填充在其間隙中的結構。以這種方式形成類蛋白石材料是非常耗時且昂貴的。因而它不是工業上制造大量材料的適用路線。

US 2004/0253443（等同于WO03025035）公開了由核殼粒子形成的模制體。粒子由單分散的硬核構成。每個粒子都有一個圍繞著核形成的外殼。核和殼具有不同的折射率。在該文件的一個實施方案中，核由交聯聚苯乙烯形成，殼由聚丙烯酸酯類如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）形成。在這種情況下，核具有相對高的折射率，而殼具有相對低的折射率。可以在核和殼之間提供聚合物夾層，以便將殼粘附到核上。核殼復合粒子的顆粒被加熱并壓制成膜。在這個熱壓步驟中，殼材料是柔軟的，但是核材料保持固定。核形成三維周期性格子排列，殼體材料成為基質材料。所得到的材料可以反射彩虹色。可以將無機納米顆粒（例如金屬納米顆粒或半導體納米顆粒）引入到核之間的空隙中，從而為材料提供增強的功能。

US 2004/0253443提出了解釋基質中核顆粒排序的機理，但是并沒有完全解釋清楚。

US 2005/0142343（等同于WO03064062）提供了與US 2004/0253443類似的公開內容。但是，為了提高光學效果，在基質中加入了有諸如顏料的對比材料。

US 2005/0228072（等同于WO03106557）提供了與US 2004/0253443類似的公開內容。但是，另外添加了一種材料以控制復合材料的機械性能。額外的材料可以是例如熱塑性橡膠聚合物等。

WO2004096894提供了與US2004 / 0253443類似的公開內容，并且另外提出將復合材料擠出為片材并且隨后將材料軋制，得到了均勻的隨角效應的結構色。

學術和工業界的興趣集中在表面平行于晶面（fcc晶格的<111>平面）的顏色，因為這些平面提供來自聚合物光子晶體最強烈的結構顏色。

US 2009/0012207公開了使用核殼顆粒來形成一層聚合物光子晶體。該層適用于醫療或衛生用品。應變時，由于材料中晶格間距的變化，反射顏色會發生變化。這因而給使用者指示何時醫療或衛生制品被拉得太緊。還公開了交聯基質材料的可能性，例如利用基質中的交聯劑，由熱或光化學引發交聯反應。