“光之法師”——光子晶體

光子晶體（Photonic Crystal）指能對(duì)光作出反應(yīng)的特殊晶格。光子晶體是指能夠影響光子運(yùn)動(dòng)的規(guī)則光學(xué)結(jié)構(gòu)，這種影響類似于半導(dǎo)體晶體對(duì)于電子行為的影響。光子晶體以各種形式存在于自然界中，科學(xué)界對(duì)它的研究已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)一百年。

原理

光子晶體是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分別獨(dú)立提出，是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。由于介電常數(shù)存在空間上的周期性，引起空間折射率的周期變化，當(dāng)介電系數(shù)的變化足夠大且變化周期與光波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，光波的色散關(guān)系出現(xiàn)帶狀結(jié)構(gòu)，此即光子能帶結(jié)構(gòu)(Photonic Band structures)。這些被禁止的頻率區(qū)間稱為“光子頻率帶隙”(Photonic Band Gap，PBG)，頻率落在禁帶中的光或電磁波是被嚴(yán)格禁止傳播的。我們將具有“光子頻率帶隙”的周期性介電結(jié)構(gòu)稱作為光子晶體。特別需要指出的是，介電常數(shù)周期性排列的方向并不等同于帶隙出現(xiàn)的方向，在一維光子晶體和二維光子晶體中，也有可能出現(xiàn)全方位的三維帶隙結(jié)構(gòu)。

歷史

盡管光子晶體的研究自從1887 年就開(kāi)始了，但直到一百年后的1987 年，光子晶體這個(gè)名詞才被第一次出現(xiàn)在由 Eli Yablonovitch [1] 和 Sajeev John [2]分別發(fā)表在《Physical Review Letters》上的兩篇關(guān)于光子晶體的標(biāo)志性文章中。

在1987 年以前, 詳盡的研究集中在一維光子晶體，即規(guī)則排列的多層半導(dǎo)體材料上（例如布拉格反射鏡）。瑞利爵士（Lord Rayleigh）從1887 [3]開(kāi)始研究一維晶體，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)具有一維光子禁帶，即對(duì)于一定波長(zhǎng)范圍的波具有極大的反射率。今天，這種結(jié)構(gòu)被用在各種各樣的領(lǐng)域，從增加LED效率的反射涂層到到激光腔中的高反鏡(例如, VCSEL)。在Bykov [4] 的關(guān)于一維光子晶體結(jié)構(gòu)的理論研究中，他第一次研究了在光子晶體中，光子禁帶對(duì)于鑲嵌其中的原子分子的自發(fā)發(fā)射現(xiàn)象的影響。Bykov 還推測(cè)了二維以及三維光子晶體對(duì)自發(fā)發(fā)射的影響 [5]。但是，他的想法并沒(méi)有受到重視，直到1987 Yablonovitch 和John 發(fā)表了他們的標(biāo)志性文章。這兩篇文章都探討了高維規(guī)則光學(xué)結(jié)構(gòu)──光子晶體。Yablonovitch 的出發(fā)點(diǎn)是通過(guò)改變光子態(tài)的密度（photonic density of states）從而達(dá)到控制光子晶體中物質(zhì)的自發(fā)發(fā)射；John 的想法則是利用光子晶體來(lái)控制光的行為。

自1987 后，關(guān)于光子晶體的學(xué)術(shù)論文的數(shù)量呈現(xiàn)出幾何級(jí)數(shù)上升的趨勢(shì)。但是，由于制作光學(xué)尺寸的光子晶體的難度太大，早期的研究大多集中在理論研究及微波級(jí)光子晶體（其尺寸在厘米級(jí)）的制造上。(電磁波具有非尺寸依靠特征，所以在麥克斯韋方程的解中沒(méi)有實(shí)際的尺寸，因此厘米尺寸的結(jié)構(gòu)對(duì)于微波的影響和納米尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)可見(jiàn)光的影響是相同的。1991年，Yablonovitch 制造出了第一個(gè)在微波范圍的三維光子晶體 [6]。

1996年，Thomas Krauss 制作出了世界上第一個(gè)在光學(xué)尺寸上的一維光子晶體 [7]。他的成功開(kāi)辟了一條新道路，即利用已有的半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)來(lái)制造半導(dǎo)體材料的光子晶體。如今，二維光子晶體，即半導(dǎo)體的薄片堆層應(yīng)用在很多領(lǐng)域；如利用全內(nèi)反射將光限制在晶體中而產(chǎn)生光子晶體效應(yīng)及控制光的色散。世界上很多研究圍繞在利用光子晶體制作計(jì)算機(jī)芯片以提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。雖然這項(xiàng)技術(shù)還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到商業(yè)應(yīng)用，二維光子晶體已經(jīng)被應(yīng)用在光纖上。光子晶體光纖最早由Philip Russell在1998 制作，它相對(duì)于普通光纖有很多先進(jìn)之處。

由于制作上的難度，三維晶體的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于二維晶體，即使在半導(dǎo)體工業(yè)中也沒(méi)有可以借鑒的方法來(lái)制造三維光子晶體。最近，一些科研組發(fā)展出一些有效的方法，不少樣品被制作出來(lái)。[8] 例如，通過(guò)層層堆積方法制造出木料堆結(jié)構(gòu)。又如，利用自組裝方法-- 讓大小均一的納米尺寸微球通過(guò)自組裝形成三維規(guī)則結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用

光子晶體體積非常小，在新的納米技術(shù)中、光計(jì)算機(jī)、芯片等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。使用光子晶體制造的光子晶體光纖，也有比傳統(tǒng)光纖更好的傳輸特性，可以進(jìn)而應(yīng)用到通信、生物等諸多前沿和交叉領(lǐng)域。

2005年美國(guó)的研究人員成功地使用兩種新式二維光子晶體，將光的群速度降低了超過(guò)一百倍。[注1]這項(xiàng)裝置未來(lái)可望被應(yīng)用于各種光學(xué)系統(tǒng)及元件中，其中包括高功率、低閾值的光子晶體激光。
光子晶體也可以將拉曼光訊號(hào)放大一百萬(wàn)倍。英國(guó)的Mesophotonics宣稱，該公司于2005年的Photonics West會(huì)議中發(fā)表這種結(jié)合光子晶體與表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)的產(chǎn)品，由于靈敏度超高，未來(lái)可望應(yīng)用在醫(yī)療診斷、藥物輸送，以至于環(huán)境監(jiān)控上。

晶體是由大量微觀物質(zhì)單元（原子、離子、分子等）按一定規(guī)則有序排列的周期性結(jié)構(gòu)。晶體在日常生活中經(jīng)常遇到，如食鹽就是氯化鈉晶體，雪花也是晶體，而且具有多種不同的形狀。

人們非常熟悉且每天都離不開(kāi)的半導(dǎo)體也是晶體。我們熟知的高性能芯片就是大規(guī)模、超大規(guī)模的半導(dǎo)體集成電路。半導(dǎo)體能夠具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是因?yàn)榘雽?dǎo)體這種晶體具有電子的禁帶、導(dǎo)帶?？茖W(xué)家利用電子的能帶結(jié)構(gòu)對(duì)電子進(jìn)行精確的控制。但由于電子是帶電的，相鄰電子之間有相互作用，這給控制電子帶來(lái)了困難。尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)的尺寸非常小時(shí)，精確地控制電子變得極為困難。這使得進(jìn)一步提高芯片的性能也變得極為困難。即存在量子極限的限制。

如何進(jìn)一步提高芯片的性能呢？這時(shí)，人們想到了光子。光子不帶電，光子之間沒(méi)有相互作用。控制光子比控制電子更簡(jiǎn)單。因此，通過(guò)控制光子，可以更容易突破量子極限，從而進(jìn)一步提高芯片的性能。如何才能精確地控制光子呢？人們發(fā)現(xiàn)，如果傳導(dǎo)光的材料具有晶體一樣的結(jié)構(gòu)，那么，這種材料也會(huì)具有光子的禁帶、導(dǎo)帶。這不就是傳導(dǎo)光的晶體嗎！光子晶體就這樣產(chǎn)生了。人們還發(fā)現(xiàn)，可以把在半導(dǎo)體中很多控制電子的現(xiàn)成的方法和技術(shù)用到對(duì)光子的控制上來(lái)。

半導(dǎo)體是帶電離子的周期性晶體結(jié)構(gòu)，電子的行為受到周期性的約束和影響。而材料對(duì)光傳播特性的影響只能通過(guò)折射率（介電常數(shù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，光子晶體一定是折射率（介電常數(shù)）在空間的周期性排列，以使光子受到周期性的約束和影響。折射率的周期分布可以是一維、二維或三維的，它們分別對(duì)應(yīng)于一維、二維和三維光子晶體。

光子晶體具有光子能帶結(jié)構(gòu)。有的能帶禁止某些頻率的光在其中傳播，這些頻率（顏色）的光不能在這個(gè)帶中存在，這就是光子禁帶。有的能帶允許某些頻率的光在其中傳播，對(duì)于這些頻率的光這個(gè)能帶就是光子的導(dǎo)帶。

當(dāng)光子晶體被白光照射射時(shí)，其能帶對(duì)某些頻率的光是導(dǎo)帶，這些頻率的光可以進(jìn)入材料并在其中傳播。而對(duì)其他某些頻率的光來(lái)說(shuō)，這個(gè)能帶是禁帶，這些頻率的光不能進(jìn)入材料而被完全反射出來(lái)。因此，材料就會(huì)呈現(xiàn)出不同的色彩。自然界中很多東西有鮮艷的彩色，這其實(shí)就與光子晶體有密切關(guān)系。如：南美洲有些蝴蝶的翅膀呈現(xiàn)出美麗的色彩，有的蜥蜴類動(dòng)物也有非常漂亮的顏色，產(chǎn)于澳洲的蛋白石也具有鮮艷的色彩，等等。

蝴蝶翅膀的顏色及其結(jié)構(gòu)

漂亮的蜥蜴類動(dòng)物

產(chǎn)于澳洲的蛋白石的鮮艷色彩

光子晶體的概念是美國(guó)的E. Yablonovitch和加拿大的S.John在1987年提出的。Yablonovitch的研究是為了降低雷達(dá)的電力消耗，以及提高雷達(dá)的隱身性能。而S.John的工作是光子局域，即，將光子限制在空間的某個(gè)范圍內(nèi)。他們的研究目標(biāo)完全不同，但卻分別提出了相同的新概念。他們的文章于1987年在美國(guó)《物理評(píng)論快報(bào)》上先后發(fā)表。兩人原來(lái)并不認(rèn)識(shí)，看到對(duì)方的文章后，兩人互相聯(lián)系，決定見(jiàn)一次面。在這次見(jiàn)面中，他們討論了這個(gè)新概念的意義，及今后的進(jìn)一步研究方向。正是在這次見(jiàn)面會(huì)上，經(jīng)過(guò)協(xié)商，他們共同為這個(gè)新生事物起了一個(gè)嶄新而響亮的名字—光子晶體（Photonic Crystal）。

光子晶體的概念提出后，引起了全世界科學(xué)家的極大興趣和高度重視。一個(gè)光子晶體的研究熱潮在世界范圍內(nèi)興起。

既然光子晶體的最大特點(diǎn)是光子的能帶結(jié)構(gòu)，人們自然希望光從各個(gè)方向照射時(shí)都存在禁帶，而不是只在一個(gè)方向照射才有禁帶，這就是全空間禁帶。人們還希望禁帶能夠?qū)捯恍Ｈ藗儼l(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體研究中的很多技術(shù)可以用到光子晶體中來(lái)。純凈的半導(dǎo)體不好用，按照理論設(shè)計(jì)摻入雜質(zhì)（摻雜），半導(dǎo)體的性能明顯提高。于是，人們就把摻雜技術(shù)引入到光子晶體的研究中來(lái)，從而大大改善了光子晶體的特性?？茖W(xué)家們?cè)诠庾泳w研究中，還把一定程度上破壞微觀對(duì)稱性，增加某些宏觀的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性這些半導(dǎo)體研究中的方法移植過(guò)來(lái)，都獲得了非常好的效果。

可以有多種方法制作光子晶體，如物理學(xué)中的分子束外延，光刻，離子束刻蝕，晶體生長(zhǎng)，光學(xué)全息，化學(xué)中的自組裝等技術(shù)。

光子晶體已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。光子晶體已經(jīng)被廣泛用于生物成像、光譜學(xué)、人臉識(shí)別、激光雷達(dá)、虛擬現(xiàn)實(shí)等眾多領(lǐng)域。而到目前為止，光子晶體最成功的應(yīng)用莫過(guò)于光子晶體光纖。通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)，用光子晶體材料做成光纖，這個(gè)光纖的中心對(duì)于通訊頻率的光具有導(dǎo)帶，光可以在芯中自由傳播。而芯的周圍對(duì)于通訊頻率的光卻是禁帶，不允許這個(gè)頻率的光存在。因此，光在光纖的芯中傳播時(shí)沒(méi)有任何損耗，且不會(huì)跑到芯的外部。這使得光纖的性能大幅度提高。光子晶體光纖還具有其他突出的優(yōu)良性能，因涉及較多的專業(yè)知識(shí)，這里不詳細(xì)論述了。最近比較熱門的有關(guān)隱身衣的研究也要用到光子晶體材料。

在固態(tài)物理中，與光子相對(duì)應(yīng)的是頻率更低的聲子。由此，科學(xué)家們把光子晶體引申到聲子晶體。而聲子的頻率更低，波長(zhǎng)更長(zhǎng)，聲子晶體也更容易制作。因此，聲子晶體的研究與應(yīng)用也得到了快速的發(fā)展，成為繼光子晶體后的一個(gè)重要發(fā)展方向。

正如前面所述，由于光子之間沒(méi)有相互作用，對(duì)光子可以實(shí)現(xiàn)比電子更精確的控制，因此更容易突破量子限制，從而使基于光子晶體的芯片性能能夠比現(xiàn)在的半導(dǎo)體芯片有較大的提高。這將為未來(lái)的光計(jì)算、光學(xué)邏輯，光開(kāi)關(guān)，光信息技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)色

物體呈現(xiàn)色彩的來(lái)源有兩種，一是物質(zhì)發(fā)色團(tuán)選擇性吸收不同顏色的光產(chǎn)生的顏色，稱為化學(xué)色；二是光的隨機(jī)或周期性的結(jié)構(gòu)散射和衍射產(chǎn)生的顏色，稱為物理色或結(jié)構(gòu)色。例如肥皂泡在陽(yáng)光下呈現(xiàn)的彩色就是一種結(jié)構(gòu)色。

光子晶體

光子晶體（Photonic Crystals, PhCs）是一種由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)，它可以產(chǎn)生一種稱為光子帶隙的“禁止”頻率，具有波長(zhǎng)選擇的功能，可以有選擇地使某個(gè)波段的光通過(guò)而阻止其它波長(zhǎng)的光通過(guò)其中，因此可以產(chǎn)生許多奇妙的光學(xué)現(xiàn)象。

圖2. 空氣中由介電棒組成的二維光子晶體對(duì)光的完全限制和平滑引導(dǎo)展示，白色圓圈表示介電棒

自然界中存在許多天然的光子晶體，例如蝴蝶翅膀、孔雀翎羽、甲蟲(chóng)外殼等閃爍著的彩色金屬光澤，往往都是光子晶體特殊的周期性納米結(jié)構(gòu)對(duì)于特定波長(zhǎng)選擇性反射而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色。

圖3. 藍(lán)閃蝶、孔雀以及象鼻蟲(chóng)及其表面SEM圖

自然界還存在其他光子晶體，比如蛋白石，這種寶石則因內(nèi)部堆積的SiO2小球而表現(xiàn)出特殊的變彩效應(yīng)，被譽(yù)為寶石的調(diào)色板。

圖4. 蛋白石及其SEM圖

甚至，在醬牛肉中也可以發(fā)現(xiàn)光子晶體的存在。用利刃切開(kāi)一塊熟牛肉，有時(shí)切面會(huì)閃爍著略顯詭異的熒光綠，這其實(shí)是平整切面密集的肌纖維構(gòu)成的光子晶體對(duì)光線的反射。

圖5. 醬牛肉也有光子晶體

用途

通過(guò)設(shè)計(jì)和制造光子晶體及其器件，可以控制光子的運(yùn)動(dòng)，從而用于抑制自發(fā)發(fā)射、增強(qiáng)半導(dǎo)體激光器以及光學(xué)元件的集成和小型化制造各種小型化集成光電、量子光學(xué)設(shè)備乃至集成光量子平臺(tái)。

例如，光子晶體光纖利用內(nèi)部不同排列形式的氣孔對(duì)光的調(diào)制，使光被限制在低折射率的光纖芯區(qū)傳播，不但比傳統(tǒng)光纖具有更低的損耗，而且其光子帶隙結(jié)構(gòu)在非線性光學(xué)、超精密光學(xué)測(cè)量、量子光學(xué)等領(lǐng)域都有具有廣闊的應(yīng)用。

圖6. 光子晶體光纖

此外，利用特定波長(zhǎng)的光不能在光子晶體中傳播，卻能在晶體缺陷中傳播的特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)各類缺陷實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的塑造與控制，為實(shí)現(xiàn)集成光子平臺(tái)提供了可能。在不久的將來(lái)，或許人們利用的信息載體可由電子轉(zhuǎn)向具有更高傳播速率和信息攜帶量的光子，引發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信與計(jì)算性能的重大變革。

生物基光子材料——納米纖維素（NC）

納米纖維素（NC）是地球上最為豐富的生物質(zhì)資源，具有易降解、可再生、無(wú)毒性且易得等優(yōu)點(diǎn)，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)石化資源并用于生產(chǎn)各種高附加值先進(jìn)功能材料。根據(jù)納米纖維素的制備方法和來(lái)源區(qū)分，納米纖維素通?？煞譃槿悾豪w維素納米晶（CNC）、纖維素納米纖維（CNF）和細(xì)菌纖維素（BC）。

納米纖維素功能材料用于手性光子學(xué)

手性在自然界中普遍存在，并在生命科學(xué)和材料科學(xué)中發(fā)揮著重要作用。CNC是一種納米級(jí)手性光子晶體材料。CNC的手性向列型液晶相結(jié)構(gòu)既可用于制備高機(jī)械性能和具有特殊光學(xué)特性的功能膜材料，也可以作為一種生軟模板用來(lái)誘導(dǎo)納米顆粒形成具有手性結(jié)構(gòu)的功能材料。因此，在手性催化、手性超材料、偏振加密以及生物傳感等領(lǐng)域均具有重要應(yīng)用價(jià)值。

納米纖維素功能材料用于軟件驅(qū)動(dòng)器

近年來(lái)，基于各種合成聚合物衍生的軟物質(zhì)材料，如典型的水凝膠、液晶彈性體和形狀記憶聚合物，科學(xué)家們巧妙地設(shè)計(jì)了多種仿生智能驅(qū)動(dòng)器用以模仿甚至超越生物體的驅(qū)動(dòng)行為。然而，這些傳統(tǒng)的聚合物基材料通常是通過(guò)復(fù)雜的工藝合成的、成本高、難以降解或回收，這可能會(huì)給環(huán)境帶來(lái)一定的負(fù)擔(dān)。值得注意的是，基于納米纖維素的仿生軟體驅(qū)動(dòng)器因其優(yōu)越的機(jī)械柔性、高的吸濕能力、可持續(xù)或生態(tài)友好性、可重復(fù)使用或可生物降解性和生物相容性而受到越來(lái)越多的關(guān)注和重視。

納米纖維素功能材料用于能源存儲(chǔ)

納米纖維素因具有大的比表面積、優(yōu)異的機(jī)械柔性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境友好性以及纖維之間彼此交錯(cuò)連接，易形成便于離子和電子傳輸?shù)亩嗫捉Y(jié)構(gòu)；纖維表面附有羥基、羧基等親水性官能團(tuán)，在電解質(zhì)溶液中具有良好的保濕能力，使其衍生的功能材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。納米纖維素基功能材料不僅可以作為能源存儲(chǔ)器件中的各種組分，如隔膜、電解質(zhì)、膠粘劑和載體。同時(shí)，通過(guò)高溫炭化、原位化學(xué)聚合和電化學(xué)沉積等策略可與電活性材料復(fù)合，獲得更精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電化學(xué)性能。

納米纖維素功能材料用于生物醫(yī)學(xué)

在干燥狀態(tài)下，納米纖維素的力學(xué)性能可與人體骨骼媲美，而在濕潤(rùn)狀態(tài)下，納米纖維素的理化性能與細(xì)胞外基質(zhì)相似。同時(shí)，除了優(yōu)異的理化特性外，納米纖維素與其他聚合物或功能材料具有高的兼容性，從而使得納米纖維素基功能材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有良好的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

光子晶體是指具有光子帶隙（PhotonicBand-Gap，PBG）特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成，可以有選擇地使某個(gè)波段的光通過(guò)而阻止其它波長(zhǎng)的光通過(guò)其中。光子晶體的出現(xiàn)，使人們操縱和控制光子的夢(mèng)想成為可能。其中具有周期分層結(jié)構(gòu)和一維PBG的手性向列相光子晶體在光子技術(shù)中有很大的應(yīng)用潛力。

周期晶態(tài)納米纖維素（CNC）提取于天然纖維素（如木本、非木本纖維素等），是一種可再生天然高分子納米材料。CNC具有溶致型液晶性質(zhì)，可通過(guò)蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝形成左旋手性向列結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家已開(kāi)發(fā)出多種基于CNC的手性光子納米材料，并應(yīng)用于傳感、非對(duì)稱合成、生物醫(yī)學(xué)和仿生納米復(fù)合材料等領(lǐng)域。手性向列型CNC薄膜具有圓偏振特性，包括反射左旋圓偏振（LCP）光，發(fā)射右旋圓偏振（RCP）熒光等。

纖維素納米晶（CNC），是從天然纖維中提取得到的納米級(jí)纖維素，擁有納米結(jié)構(gòu)特性，具有高結(jié)晶度、高純度、高強(qiáng)度、高彈性模量、生物相容性好、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，還具有獨(dú)特的光學(xué)性能。纖維素納米晶是納米纖維素的一種，納米纖維素是手性光子材料的一種，纖維素納米晶可自組裝形成手性向列螺旋結(jié)構(gòu)。手性纖維素納米晶擁有圓偏振光特性，屬于膽甾相液晶材料。

手性是物體與其鏡像不能相疊的現(xiàn)象，是自然界物質(zhì)普遍存在的基本屬性，已經(jīng)成為多個(gè)學(xué)科的重要研究方向。與其他手性光子材料相比，手性纖維素納米晶更易獲取，具有成本優(yōu)勢(shì)，且生物相容性好，并具有優(yōu)良的光學(xué)特性，因此受關(guān)注度高。手性纖維素納米晶可單獨(dú)使用，用來(lái)制備功能性光學(xué)薄膜等材料，也可以與其他材料配合使用，制造新型手性結(jié)構(gòu)納米材料，例如與金納米棒共組裝形成手性向列膜。

手性纖維素納米晶自組裝形成的手性向列螺旋結(jié)構(gòu)，可選擇性地反射不同波長(zhǎng)的光，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，并且對(duì)外部的光、電、力、熱等刺激反應(yīng)迅速，受刺激后可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色調(diào)節(jié)。利用手性纖維素納米晶的這一特點(diǎn)，可模仿蝴蝶翅膀的鮮艷色彩，以及變色龍皮膚的變色效果，實(shí)現(xiàn)仿生變色。

手性纖維素納米晶可利用外部刺激實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色變化，在變色材料、隱身材料等開(kāi)發(fā)領(lǐng)域具有重要價(jià)值，這一技術(shù)可同時(shí)用于軍事與民用領(lǐng)域。利用手性纖維素納米晶的特性，科研人員還在開(kāi)發(fā)新型傳感器、濾光器、顯示器、光學(xué)器件以及新材料等，因此手性纖維素納米晶在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、光學(xué)、物理學(xué)、催化、電子、光學(xué)儀器、信息存儲(chǔ)、信息加密、光學(xué)防偽等領(lǐng)域均具有重要研究?jī)r(jià)值。

手性纖維素納米晶具有制備時(shí)手性結(jié)構(gòu)控制難度大、成膜時(shí)間長(zhǎng)、膜厚度不均勻、易受水影響、易開(kāi)裂等特點(diǎn)，限制了其批量化生產(chǎn)以及規(guī)?；瘧?yīng)用，因此其技術(shù)研究還在不斷深入。在我國(guó)，中國(guó)科學(xué)院大連化物所、青島科技大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)、東北林業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)與高校均在進(jìn)行手性纖維素納米晶研究；在國(guó)外，手性纖維素納米晶研究院所有美國(guó)東北大學(xué)、加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)、德國(guó)哥廷根大學(xué)等。

NIR反射可能在自適應(yīng)熱和光調(diào)節(jié)以及柔和的變色機(jī)器人技術(shù)中具有潛在的應(yīng)用。與支撐層相比，薄MCLCE膜的彈性模量和厚度的巨大差異提供了結(jié)構(gòu)色對(duì)施加壓力的瞬時(shí)和穩(wěn)健的響應(yīng)。此外，與其他方法相比，對(duì)于不斷變化的背景和機(jī)載傳感而言，在小占地面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)的寬光譜漂移是非常理想的。所有這些都是由MCLCE的彈性各向異性和低交聯(lián)密度導(dǎo)致的大泊松比實(shí)現(xiàn)的，克服了由各向同性材料制成的傳統(tǒng)光子晶體的物理限制。盡管操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但像素和空氣通道布局的大自由度以及MCLCE獨(dú)特的機(jī)械變色性能將激發(fā)仿生、高響應(yīng)和復(fù)雜光子器件的創(chuàng)建。

大千世界，五彩繽紛。牛頓的棱鏡實(shí)驗(yàn)揭示了自然界的斑斕色彩其實(shí)是人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光的響應(yīng)，色彩實(shí)際上是與光聯(lián)系在一起的。胡克通過(guò)顯微鏡觀察孔雀羽毛顏色與光的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了除傳統(tǒng)顏料中的色素外，還有與羽毛的排列和厚度密切相關(guān)的反射色。色素色是單一物質(zhì)對(duì)光的吸收或反射后直觀呈現(xiàn)出的顏色，而結(jié)構(gòu)色則是一種大量有序結(jié)構(gòu)對(duì)不同波長(zhǎng)的光散射、衍射或干涉后產(chǎn)生的各種顏色。

結(jié)構(gòu)色比染料或顏料色更具優(yōu)勢(shì)，例如更亮的顏色、更長(zhǎng)的使用壽命和環(huán)保性。然而，結(jié)構(gòu)色的可調(diào)范圍受到樣品物理尺寸和幾何約束的限制，難以實(shí)現(xiàn)寬帶、像素化的顏色切換。鑒于此，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)楊澍教授課題組報(bào)道了一種主鏈?zhǔn)中韵蛄幸壕椥泽w（CLCE）的氣動(dòng)膨脹薄膜（MCLCE），通過(guò)利用這些材料的高的彈性各向異性和大泊松比（>0.5），作者對(duì)封裝空氣通道的尺寸和布局進(jìn)行了幾何編程，以實(shí)現(xiàn)從近紅外到紫外波長(zhǎng)的色移，等雙軸橫向應(yīng)變小于20%。無(wú)論是周期性的還是不規(guī)則的圖案，每個(gè)通道都可以作為顏色“像素”單獨(dú)控制，以與周圍環(huán)境相匹配。這些軟材料可用于不同的應(yīng)用，例如密碼學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)和軟機(jī)器人。相關(guān)研究成果以題為“Broadband and pixelated camouflage in inflating chiral nematic liquid crystalline elastomers”發(fā)表在最新一期《Nature Materials》上。

【MCLCE膜的設(shè)計(jì)】

在具有布拉格帶隙的光子晶體中，光譜偏移的幅度一般小于或等于沿周期性折射率方向施加的應(yīng)變。在像素化著色平臺(tái)中，大應(yīng)變要求限制了外形尺寸并降低了能源效率。除了應(yīng)變，兩個(gè)正交向量n和m的泊松比ν nm=ε m/ε n同樣重要，其中ε n和ε m是沿n施加的法向應(yīng)變（例如，圖1e中的x或y軸）和分別沿m響應(yīng)法向應(yīng)變（例如，在軸上，即圖1e中的z軸）。各向異性材料泊松比v?> 0.5，可以從垂直方向上相對(duì)小的應(yīng)變引起周期性的大變形。在各向異性材料中，通過(guò)施加較小的橫向變形，可實(shí)現(xiàn)寬帶結(jié)構(gòu)色。

本文中的MCLCE是為通過(guò)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的快速、可編程和多路復(fù)用三維顯示而合成和設(shè)計(jì)的（圖1a、b）。著色單元是由位于聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）支撐層（300至500 μm厚）上的薄MCLCE膜（<15μm厚）組成的雙層，用嵌入有充氣通道的PDMS底座密封。著色單元的縱橫比(t/w)定義為支撐層的厚度(t)與膨脹區(qū)的寬度(w)。簡(jiǎn)單地通過(guò)在固定t的同時(shí)改變w，作者獲得不同像素中不同幅度的光譜偏移（圖1c）。MCLCE膜比支撐層薄得多，因此面內(nèi)應(yīng)變?cè)诿嫱馀蛎浵率┘拥組CLCE膜上。如圖1f所示，大面積（3×3 cm2）著色單元的任意變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)色的藍(lán)移（從680nm到460nm），類似于頭足類動(dòng)物的藍(lán)移。

圖1.基于泊松效應(yīng)的MCLCE膜的可編程結(jié)構(gòu)色

【MCLCE膜的制備與表征】

MCLCE膜分兩個(gè)階段制備：使用具有螺距PI的手性向列溶劑穩(wěn)定液晶(LC)預(yù)聚物（階段I），然后是LC預(yù)聚物的光聚合和去除手性向列溶劑（階段II；圖2a）。穩(wěn)定的MCLCE預(yù)聚物表示為M α,β，其中 α和 β分別是LC預(yù)聚物和手性摻雜劑的質(zhì)量負(fù)載。LC預(yù)聚物與手性向列溶劑的相分離發(fā)生在α?>30wt%時(shí)，這降低了布拉格反射強(qiáng)度（圖2b、d、e）。通過(guò)保持α在30wt%時(shí)，反射率接近最大值，而通過(guò)將β從5.2 wt%改變到10 wt%來(lái)調(diào)整初始顏色，以用于近紅外(NIR)或可見(jiàn)光波長(zhǎng)的反射。MCLCE膜的橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示出典型的層狀圖案，證實(shí)了螺旋結(jié)構(gòu)的形成（圖2c）。階段I和II的廣角X射線散射(WAXS)光譜顯示MCLCE膜優(yōu)先沿螺旋軸收縮，作為 α的函數(shù)，導(dǎo)致階段II螺距PII變得更?。▓D2f）。

圖2.穩(wěn)定的MCLCE預(yù)聚物和MCLCE膜的形態(tài)

MCLCE膜(M30,8)的楊氏模量E1(94.3 kPa)和E2(29.3 kPa)是分別根據(jù)拉伸應(yīng)變 ε x(~0.4)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和壓痕沿螺旋軸的力-距離曲線估算的（圖3a，b）。與MCLCE膜的大各向異性(E 1/E 2≈3.2)和非常低的交聯(lián)密度相對(duì)應(yīng)的是，橫向平面和螺旋軸的泊松比大于0.5，ν1(0.77)和ν2(0.57；圖3c，d)。CIE圖上的顏色范圍與典型手性向列相的數(shù)值計(jì)算非常吻合（圖3e）。響應(yīng)于等雙軸橫向應(yīng)變的譜移幅度隨著應(yīng)變的增加而繼續(xù)減?。▓D3f）?？傮w而言，MCCLCE膜實(shí)現(xiàn)了從800 nm到350 nm的結(jié)構(gòu)色，具有大約20%的高保真等雙軸橫向應(yīng)變，這對(duì)于快速和像素化的顯示器來(lái)說(shuō)是非常需要的。

圖3. MCLCE膜（M30,8）的彈性各向異性和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)色

【MCLCE膜用于像素色】

為了實(shí)現(xiàn)像素化著色平臺(tái)，作者研究了作為t/w函數(shù)的MCLCE膜上施加的面內(nèi)應(yīng)變的趨勢(shì)。當(dāng)t/w?≤0.001時(shí)，應(yīng)變遵循從圖4a中的虛線幾何模型。隨著t/w的增加，產(chǎn)生厚度方向的壓縮應(yīng)變。反過(guò)來(lái)，盡管經(jīng)歷了相同程度的膨脹，主應(yīng)變也會(huì)增加（圖4a）。此外，在較高的t/w導(dǎo)致相同壓力下有效橫向應(yīng)變的減?。▓D4b）。通過(guò)對(duì)縱橫比進(jìn)行編程，著色單元陣列實(shí)現(xiàn)了逐個(gè)像素的空間顏色分散（圖4c）。在p?<10 kPa時(shí)，從NIR到紫外(UV)波長(zhǎng)的可逆和大的光譜偏移是由于大的MCLCE的k t（等于4.95），使其對(duì)機(jī)械變色傳感極具吸引力（圖4d）。為了開(kāi)發(fā)潛在的應(yīng)用，作者嵌入了多個(gè)獨(dú)立的空氣通道以進(jìn)行多路著色（圖4e中的數(shù)字），使用各種配置的著色單元展示偽裝以匹配具有周期性顏色圖案的背景（圖5f）和具有不同顏色的不規(guī)則點(diǎn)的背景（圖5g）。

圖4.用于顯示和偽裝的像素色

金納米棒和纖維素納米晶共組裝的手性向列膜

第一作者：程崢、馬祎通訊作者：祝紅麗?通訊單位：東北大學(xué)（美國(guó)）

納米纖維素晶體(CNC)基手性材料

手性作為物體與其鏡像不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，在自然界中普遍存在，是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，吸引了研究工作者們濃厚的興趣。納米纖維素晶體(CNC)在液晶狀態(tài)下具有自組裝的行為，CNC的手性向列型液晶相結(jié)構(gòu)既可用于制備高機(jī)械性能和具有特殊光學(xué)性能的功能膜材料，也可以作為一種生物質(zhì)模板合成含手性結(jié)構(gòu)的納米材料，在手性催化、手性超材料、偏振加密以及生物傳感等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，CNC手性結(jié)構(gòu)的調(diào)控和CNC基手性材料的研究與應(yīng)用備受關(guān)注。???

手性等離子體功能膜材料

然而利用具有等離子體共振活性的金屬納米顆粒和CNC共組裝策略來(lái)制備手性等離子體功能膜材料的研究很少，自支撐等離子體功能復(fù)合薄膜的研究更是稀少。此外，直接利用不同電荷性的金納米棒(GNR)來(lái)調(diào)控纖維素納米晶體薄膜的手性結(jié)構(gòu)，從而來(lái)構(gòu)建納米纖維素生物質(zhì)基手性等離子體材料的報(bào)道還沒(méi)有。

成果簡(jiǎn)介

有鑒于此，美國(guó)東北大學(xué)祝紅麗教授課題組通過(guò)表面等離子共振活性的金納米棒和纖維素納米晶體的共組裝方法制備得到了手性等離子體功能復(fù)合膜。不同電荷性和濃度的金納米棒嵌入到手性向列結(jié)構(gòu)的纖維素納米晶體基體中，復(fù)合膜表現(xiàn)出表面增強(qiáng)熒光信號(hào)和等離子體共振改變的手性光學(xué)特性。

圖1. 納米纖維素和金納米棒制備手性等離子體復(fù)合膜的示意圖：(a)樹(shù)，(b)纖維素，(c)纖維素的分子結(jié)構(gòu)，(d)纖維素納米晶，(e)硫酸水解得到纖維素納米晶的分子結(jié)構(gòu)，(f)纖維素納米晶和帶負(fù)電金納米棒共組裝的示意圖，帶負(fù)電的金納米棒均勻分布，纖維素納米晶體的手性向列液晶結(jié)構(gòu)完整保存，(g)纖維素納米晶和帶正電金納米棒共組裝的示意圖，帶正電的金納米棒隨機(jī)分布，有部分的絮聚體形成，纖維素納米晶體的手性向列液晶結(jié)構(gòu)部分被破壞，(h)纖維素納米晶/負(fù)電金納米棒的復(fù)合膜，(i)纖維素納米晶/正電金納米棒的復(fù)合膜。

要點(diǎn)1：纖維素納米晶體和表面等離子體共振活性的金納米棒共組裝制備光學(xué)復(fù)合膜

利用生物質(zhì)基材料纖維素納米晶體為手性模板，表面等離子體共振活性的金納米棒為功能客體，二者通過(guò)共組裝構(gòu)建手性光學(xué)特性可調(diào)的功能復(fù)合膜。帶負(fù)電的金納米棒在共組裝過(guò)程中均勻分布在左手螺旋結(jié)構(gòu)排列的纖維素納米晶基體中，與同為負(fù)電荷的纖維素晶體之間產(chǎn)生靜電排斥力，復(fù)合膜表現(xiàn)出比較強(qiáng)的手性特征；帶正電的金納米棒與纖維素納米晶體之間因靜電吸引力而形成局部絮聚，金納米棒隨機(jī)分布，在高濃度下不利于復(fù)合膜手性特征的完整保持。

圖2. 纖維素納米晶，金納米棒，纖維素納米晶/金納米棒水溶液的表征。(a)3.0 wt%濃度纖維素納米晶懸浮液(左邊)和4.0 nmol/L的金納米棒溶液(右邊)，(b)纖維素納米晶和金納米棒的長(zhǎng)度分布，(c)低倍率的金納米棒透射電鏡照片，(d)高倍率的金納米棒透射電鏡照片，(e)纖維素納米晶的透射電鏡照片，(f)從偏振片觀察到的纖維素納米晶的電子照片，(g)從偏振片觀察到的纖維素納米晶和帶負(fù)電金納米棒混合溶液的電子照片，(h)從偏振片觀察到的纖維素納米晶和帶正電金納米棒混合溶液的電子照片。

圖3. (a-d) 電子照片：純纖維素納米晶膜、纖維素納米晶/聚乙二醇膜、纖維素納米晶/負(fù)電金納米棒復(fù)合膜、纖維素納米晶/正電金納米棒復(fù)合膜，(e-h)偏光顯微鏡照片：純纖維素納米晶膜、纖維素納米晶/聚乙二醇膜、纖維素納米晶/負(fù)電金納米棒復(fù)合膜、纖維素納米晶/正電金納米棒復(fù)合膜，(i)纖維素納米晶/負(fù)電金納米棒復(fù)合膜表面的電子照片(5 ml的3.0 wt %濃度纖維素納米晶和4.0 nmol/L負(fù)電金納米棒混合共組裝)，(j)高放大倍率的纖維素納米晶/負(fù)電金納米棒復(fù)合膜表面的電子照片，(k)纖維素納米晶/正電金納米棒復(fù)合膜表面的電子照片(5 ml的3.0 wt %濃度纖維素納米晶和4.0 nmol/L正電金納米棒混合共組裝)，(l)高放大倍率的纖維素納米晶/正電金納米棒復(fù)合膜表面的電子照片。

要點(diǎn)2：纖維素納米晶/金納米棒復(fù)合膜表現(xiàn)出表面增強(qiáng)熒光信號(hào)的特征

纖維素納米晶/金納米棒復(fù)合膜表現(xiàn)出顯著的熒光信號(hào)增強(qiáng)的特征。無(wú)論是加入負(fù)電的金納米棒還是正電的金納米棒，熒光發(fā)射光譜顯示復(fù)合膜的熒光信號(hào)相對(duì)于純纖維素的膜均顯著增強(qiáng)。

圖4. 纖維素納米晶/金納米棒復(fù)合膜在不同金納米棒含量條件下的光學(xué)表征。(a)金屬增強(qiáng)熒光信號(hào)的機(jī)理示意圖，平行的紅色和藍(lán)色箭頭分別代表入射光和金屬增強(qiáng)熒光信號(hào)，纖維素納米晶/金納米棒復(fù)合膜的熒光信號(hào)相對(duì)于純纖維素納米晶膜顯著增強(qiáng)，(b)纖維素納米晶/金納米棒復(fù)合膜的熒光發(fā)射光譜，(c)纖維素納米晶/金納米棒復(fù)合膜的熒光發(fā)射光譜，(d)纖維素納米晶/金納米棒復(fù)合膜的電子照片顯示可調(diào)控的虹彩顏色，(e)纖維素納米晶/金納米棒復(fù)合膜在不同負(fù)電金納米棒含量下的紫外-可見(jiàn)光譜，(f)纖維素納米晶/金納米棒復(fù)合膜在不同正電金納米棒含量下的紫外-可見(jiàn)光譜。

要點(diǎn)3：纖維素納米晶/金納米棒復(fù)合膜可調(diào)控的手性光學(xué)特性

復(fù)合膜的手性光學(xué)特性具有可調(diào)控性，在低濃度金納米棒含量時(shí)，復(fù)合膜表現(xiàn)出較強(qiáng)的左手螺旋特征，隨著金納米棒濃度的增加，纖維素納米晶/正電金納米棒復(fù)合膜的手性強(qiáng)度逐漸減弱，而纖維素納米晶/負(fù)電金納米棒復(fù)合膜仍能保持比較好的手性特征。在高濃度金納米棒的條件下，復(fù)合膜的CD光譜上均出現(xiàn)較弱的手性信號(hào)。復(fù)合膜表現(xiàn)出可調(diào)控的手性光學(xué)活性。

圖5. 纖維素納米晶/金納米棒復(fù)合膜的手性光學(xué)特征。(a)圓偏振光通過(guò)左手螺旋結(jié)構(gòu)的纖維素納米晶體膜的示意圖，(b)纖維素納米晶/負(fù)電金納米棒復(fù)合膜的圓二色性光譜，(c)纖維素納米晶/正電金納米棒復(fù)合膜的圓二色性光譜，(d)放大倍率的纖維素納米晶/負(fù)電金納米棒(4.0 ml 的4.0 nmol/L負(fù)電金納米棒)復(fù)合膜的圓二色性光譜，(e)放大倍率的纖維素納米晶/正電金納米棒(4.0 ml 的4.0nmol/L正電金納米棒)復(fù)合膜的圓二色性光譜。纖維素納米晶/金納米棒復(fù)合膜的圓二色性光譜顯示復(fù)合膜的手性結(jié)構(gòu)和手性光學(xué)活性隨著嵌入的金納米棒的電荷性和濃度而具有可調(diào)控性。

小結(jié)

這種利用共組裝的策略設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)非常方便且具有現(xiàn)實(shí)意義。研究人員通過(guò)合理的構(gòu)建，將各向異性且具有表面等離子體共振活性的金納米棒引入到具有自組裝行為的手性模板纖維素納米晶體中，并且研究了不同電荷性和濃度對(duì)共組裝過(guò)程及其形成復(fù)合膜光學(xué)特性的影響。

與純纖維素納米晶體形成的膜相比，加了金納米棒的纖維素復(fù)合膜表現(xiàn)出表面增強(qiáng)熒光信號(hào)的特性。并且這種表面熒光信號(hào)和等離子體共振改變的手性光學(xué)活性是可以隨著金納米棒的電荷性及其濃度而調(diào)控的，這主要?dú)w因于金納米棒具有表面等離子體共振效應(yīng)，其局部電磁場(chǎng)得到增強(qiáng)并集中在其表面區(qū)域，因此復(fù)合膜集中了纖維素納米晶體的手性特性及金納米棒的等離子體共振活性，從而使復(fù)合膜的光學(xué)性能得以調(diào)控。

研究人員相信，這一手性共組裝的策略為光學(xué)軟材料、超材料及微納結(jié)構(gòu)光學(xué)材料的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)思路，也為發(fā)展新型光電器件提供了理論基礎(chǔ)。該方法適用于可控功能化納米顆粒構(gòu)建手性等離子體復(fù)合材料，將在以生物質(zhì)基材料為模板來(lái)制備具有優(yōu)良性能的仿生等離子體先進(jìn)功能材料領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)：

Cheng Z, Ma Y, Yang L, et al. Plasmonic-Enhanced CholestericFilms: Co-assembling Anisotropic Gold Nanorods with Cellulose Nanocrystals. Advanced Optical Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adom.201801816

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201801816

其它應(yīng)用

《AFM》英屬哥倫比亞大學(xué)：來(lái)自纖維素納米晶體的形狀記憶光子熱塑性塑料


使用形狀記憶光子晶體制備的響應(yīng)材料在可重寫光子器件、安全特征和光學(xué)涂層中具有潛在的應(yīng)用。最近，英屬哥倫比亞大學(xué)Mark J.MacLachlan教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)將手性向列纖維素納米晶體(CNC)嵌入聚丙烯酸酯基質(zhì)中，形狀記憶光子晶體熱塑性塑料(CNC-SMP)可以可逆地捕獲不同的顏色狀態(tài)。


在該系統(tǒng)中，溫度用于對(duì)形狀記憶響應(yīng)進(jìn)行編程，而壓力用于壓縮CNC手性向列組織的螺距。通過(guò)增加施加的力（≈140-230 N），結(jié)構(gòu)顏色可以從紅色調(diào)整為藍(lán)色。然后，根據(jù)需要，CNC-SMP可以通過(guò)將其加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上來(lái)恢復(fù)到其原始狀態(tài)。該循環(huán)可以執(zhí)行15次以上，而不會(huì)損失任何形狀記憶行為或樣品的機(jī)械退化。此外，通過(guò)使用帶圖案的基板按壓樣品，可以將多色讀數(shù)編程到手性向列型CNC-SMP中，而CNC-SMP的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以通過(guò)改變使用的單體組成在90°C范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整制備聚丙烯酸酯基質(zhì)。相關(guān)論文以題為Shape-Memory Photonic Thermoplastics from Cellulose Nanocrystals發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

【主圖導(dǎo)讀】
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圖1手性向列CNC-SMP的順序編程和恢復(fù)的示意圖。簡(jiǎn)而言之，i)將CNC-SMP加熱到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以上，軟化SMP基質(zhì)；ii)壓制軟化的CNC-SMP會(huì)降低嵌入的手性向列型CNC的螺距，改變材料的結(jié)構(gòu)顏色；iii)將材料冷卻至其Tg以下，同時(shí)在壓力下，將CNC-SMP鎖定在其新構(gòu)象中并捕獲著色狀態(tài)；iv)根據(jù)需要，CNC-SMP可以通過(guò)加熱(T>Tg)恢復(fù)，這允許SMP恢復(fù)其原始形狀和顏色。
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圖2手性向列型CNC-SMP的4步制備示意圖。通過(guò)水蒸發(fā)制備手性向列g(shù)-CNC薄膜，然后用DMSO(SOAK1)溶脹薄膜，單體滲透(SOAK2)，然后熱聚合以產(chǎn)生手性向列型CNC-SMP。SOAK1=25 mg mL-1 AIBN/DMSO溶液，SOAK2=甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、DMSO、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺、UPyMA、AIBN（10.30.004:0.001摩爾比）。

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具有可逆可見(jiàn)顏色的手性向列型CNC-SMP的表征。a)施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)CNC-SMP發(fā)生的情況的示意圖。b-e)在b)0 N、c)140 N、d)180 N和e)230 N處壓制的CNC-SMP的照片。f)壓制的CNC-SMP的歸一化UV-vis吸收光譜?；λmax=493、576和719 nm（從左到右）。g)壓制的CNC-SMP的歸一化圓二色光譜?；λmax=458、567和705 nm（從左到右）。比例尺=1厘米。

CNC-SMP在200 N壓力下的循環(huán)性能。a-e)手性向列CNC-SMP復(fù)合材料的圖像a)壓制前，b)第三次壓制，c)從第八次周期恢復(fù)，d)壓制到第十一次周期和e)從第十五次周期恢復(fù)。f)繪制CNC-SMP在15個(gè)周期內(nèi)按下和恢復(fù)狀態(tài)的平均RGB值的圖表。g)繪制了CNC-SMP在15個(gè)周期內(nèi)按下和恢復(fù)狀態(tài)的面積變化的圖表。h,i)CNC-SMP復(fù)合材料在h)壓制狀態(tài)（第11次循環(huán)）和i）恢復(fù)狀態(tài)（第15次循環(huán)）中的顏色分布的圖形表示。比例尺=1厘米。
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CNC-SMP復(fù)合材料印有加拿大鎳的圖像，a)未壓制，b)壓制和c)恢復(fù)。d)用于壓印的鎳的圖像。比例尺=1厘米。

【總結(jié)】

該團(tuán)隊(duì)制備了一種手性向列型CNC-SMP來(lái)生產(chǎn)具有形狀記憶的熱塑性塑料，這與可見(jiàn)顏色的可逆變化有關(guān)。CNC-SMP的光學(xué)性能通過(guò)反射光學(xué)顯微鏡、紫外-可見(jiàn)光譜和CD光譜表征，而2D-XRD用于研究微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)CNC-SMP被加熱到高于其Tg并被壓縮時(shí)，顏色會(huì)隨著壓力的增加從紅色變?yōu)榫G色到藍(lán)色，這是由于在施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)手性向列組織的螺距被壓縮。該過(guò)程可以執(zhí)行15次以上，而不會(huì)損失任何形狀記憶行為或樣品的機(jī)械退化。此外，通過(guò)使用帶圖案的基板按壓樣品，可以將多色讀數(shù)編程到手性向列CNC-SMP中。制備具有可逆可見(jiàn)顏色和手性向列形狀記憶的手性向列型CNC-SMP的能力增加了不斷增長(zhǎng)的響應(yīng)光子晶體復(fù)合材料庫(kù)。這些反應(yīng)靈敏的形狀記憶熱塑性塑料可能具有作為溫度指示器、壓力傳感器和智能包裝的潛在應(yīng)用。

光子晶體顯示器

全息納米顯示專利技術(shù)（nanoAR）是采用新型納米光學(xué)材料，具有和傳統(tǒng)光學(xué)材料完全不同的特性：它對(duì)投影機(jī)的光線有選擇性散射的作用，能夠呈現(xiàn)高清亮麗的顯示圖像效果；同時(shí)對(duì)透射的光線幾乎完全透過(guò)，可以看到屏幕后面的景物，實(shí)現(xiàn)透明顯示將虛擬影像和真實(shí)場(chǎng)景完美結(jié)合，達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。

▲光路示意圖

光子透明芯片（NanoAR）顯示技術(shù)

國(guó)際領(lǐng)先的光子透明芯片（NanoAR）顯示技術(shù)，可以在全透明的基材（玻璃、亞克力等）上顯示亮麗的圖像，效果透明高清，色彩艷麗，為顯示技術(shù)的應(yīng)用打開(kāi)了一個(gè)全新的方向。

把將任何一塊透明介質(zhì)變?yōu)楦咔辶聋愶@示器 和電子芯片用來(lái)處理電子類似，光子透明芯片對(duì)來(lái)自不同的角度的光進(jìn)行選擇性的處理，只調(diào)控來(lái)自投影機(jī)方向上的光線，產(chǎn)生一幅亮麗的圖像，對(duì)其他方向上來(lái)的光不做調(diào)控，可以把一幅亮麗的圖像疊加到外部真實(shí)的世界上，實(shí)現(xiàn)全透明的顯示。

光子透明芯片顯示技術(shù)原理示意圖

關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)對(duì)比分析

透明顯示效果對(duì)比分析

光子虛擬機(jī)器人

光子虛擬機(jī)器人是一套可用于迎賓解說(shuō)的全息機(jī)器人系統(tǒng)，基于光子晶體科技擁有的光子透明芯片顯示技術(shù)。該產(chǎn)品可以將形象逼真的1：1虛擬講解員投射在全透明的玻璃屏幕上，使得一個(gè)全息的講解員浮空出現(xiàn)在人們的面前，就像星球大戰(zhàn)中的全息景象一樣，把科幻變成現(xiàn)實(shí)。虛擬講解員對(duì)來(lái)賓進(jìn)行解說(shuō)，能給來(lái)賓留下深刻的印象，起到良好的宣傳效果。畫面中的講解員既可以是已經(jīng)拍攝好的真人，也可以是3D建模的虛擬卡通形象。光子虛擬機(jī)器人產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用在企業(yè)展廳、科技館、博物館、展覽館等各類場(chǎng)所。

光子虛擬機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

◆全天候不間斷迎賓講解，代替真人完成講解工作，隨時(shí)為參觀者提供服務(wù)。

◆形象逼真，科技感未來(lái)感強(qiáng)。摒棄傳統(tǒng)人物講解迎賓的枯燥性，令觀眾耳目一新、印象深刻，完美地展現(xiàn)企業(yè)的魅力和價(jià)值。

◆光子虛擬機(jī)器人可以加入交互系統(tǒng)，給參觀者帶來(lái)更好的互動(dòng)體驗(yàn)。

◆和市場(chǎng)上其它投影解說(shuō)員相比，光子虛擬機(jī)器人畫面更透明，人物更加高清亮麗。采用一體化設(shè)計(jì)，任意位置可擺放，不受空間限制。

應(yīng)用場(chǎng)景

光子虛擬機(jī)器人可以廣泛應(yīng)用在企業(yè)展館、科技館、紀(jì)念館、博物館、展會(huì)、機(jī)場(chǎng)、高鐵站、地鐵站、商業(yè)門店等場(chǎng)所。以黑科技，吸引人們的注意力，達(dá)到宣傳、廣告、展示的效果。

光子懸浮屏

光子懸浮屏是一款全透明、超高清、懸掛式的廣告一體機(jī)，它基于光子晶體科技的光子透明芯片顯示技術(shù)。該廣告機(jī)可以方便地懸掛的商場(chǎng)櫥窗，店內(nèi)天花板上，在透明櫥窗內(nèi)凌空產(chǎn)生43寸高清、亮麗的圖像，可以抓住消費(fèi)者的眼球，起到快速引流，提高顧客進(jìn)店率的作用。產(chǎn)品安裝不需改變商場(chǎng)原有的布局，不需占用更多空間，安裝方便，適合在購(gòu)物中心、百貨商場(chǎng)或企業(yè)展廳等各種展示場(chǎng)所。

◆懸空顯示，效果炫酷，吸引消費(fèi)者眼球，為商家?guī)?lái)巨大的商業(yè)價(jià)值。

◆懸掛式安裝，一體式安裝，可以裝在任何可以安裝燈具的地方。

◆不遮擋視線，不改變店內(nèi)原有布局，不多占用原有效空間，創(chuàng)造全新的廣告位。

◆光子懸浮屏系統(tǒng)顯示內(nèi)容根據(jù)商家需求設(shè)計(jì)，不同時(shí)段做不同內(nèi)容，提高進(jìn)店率，更換操作方便。

應(yīng)用場(chǎng)景

光子懸浮屏應(yīng)用非常廣泛，特別適用于購(gòu)物中心、百貨商店的櫥窗內(nèi)部。另外還可以應(yīng)用在科技館、紀(jì)念館、博物館、展會(huì)、機(jī)場(chǎng)、地鐵站等場(chǎng)所。

光子桌面透明屏

光子桌面透明屏是一款一體式，即插即用，可放置于桌面的23寸全透明顯示器。它基于光子晶體科技公司的光子透明芯片顯示技術(shù)?？梢宰鳛槿@示器，放置在任何桌面、展臺(tái)上，形成浮空立體、鮮艷亮麗的圖像，科技感未來(lái)感強(qiáng)，能夠抓住消費(fèi)者的眼球，給顧客帶來(lái)絕佳的視覺(jué)體驗(yàn)，起到展示、廣告、宣傳的效果。 產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用在商家的柜臺(tái)、企業(yè)的展柜、甚至寫字臺(tái)，辦公桌上。

光子桌面透明屏結(jié)構(gòu)示意圖

◆全透明屏幕，立體顯示，瞬間吸引顧客注意力，給人完全不一樣的視覺(jué)沖擊，為商家?guī)?lái)前所未有的商業(yè)價(jià)值，提高進(jìn)店率與關(guān)注率，提升購(gòu)物體驗(yàn)。

◆透明顯示不遮擋視線，可以在顯示內(nèi)容的同時(shí)看到展示的實(shí)物，與環(huán)境完美融合。

◆一體化設(shè)計(jì)，小巧玲瓏， 產(chǎn)品可擺放在任何柜臺(tái)、桌面、寫字臺(tái)上，投射出23寸的炫酷靚麗畫面。

應(yīng)用場(chǎng)景

光子桌面透明屏廣泛應(yīng)用在零售門店、連鎖店鋪展覽展柜、珠寶店、化妝品店面、電子產(chǎn)品柜臺(tái)等場(chǎng)景中，用于產(chǎn)品展示、廣告營(yíng)銷、形象展示等。

一體式光子AR柜臺(tái)

光子AR柜臺(tái)是一體集成式，即插即用的全新柜臺(tái)形式，它包括集成式的投影機(jī)和光子透明屏幕，尺寸大小和普通柜臺(tái)完全匹配，可以被方便的安放在商店入口，落地式櫥窗，中島等地方，播放廣告促銷等信息。起到吸引眼球，提高入店率，提升商店檔次，提升購(gòu)物體驗(yàn)的作用。該產(chǎn)品安裝方便，使用簡(jiǎn)潔，投資回報(bào)率高。

光子手寫抗光幕

光子手寫抗光幕是一款適用于投影機(jī)，既可手寫，又具有良好抗光特性的投影幕布，基于光子晶體科技的光子透明芯片顯示技術(shù)。 該產(chǎn)品可以和普通投影機(jī)配合，在會(huì)議室、辦公室、教室使用。它具有良好的抗環(huán)境光特性，即使在開(kāi)燈的環(huán)境下，依然可以保持很高的投影亮度和對(duì)比度。該產(chǎn)品還容許用戶用普通白板筆隨時(shí)對(duì)投射內(nèi)容進(jìn)行隨意標(biāo)識(shí)批注可以無(wú)限次標(biāo)注和擦除。產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用在企業(yè)會(huì)議室、機(jī)構(gòu)培訓(xùn)室、學(xué)校教學(xué)等場(chǎng)合。

◆可使用普通白板筆隨意手寫，可對(duì)投射內(nèi)容隨意標(biāo)識(shí)批注、擦除、非常便捷，提高會(huì)議溝通效率。

◆抗光性強(qiáng)，開(kāi)燈情況下依然具有很好的亮度，投射畫面非常清晰，不需關(guān)燈，保護(hù)視力，提高工作效率。

◆高檔，炫酷，硬屏，超薄

◆可以無(wú)限次擦除手寫，方便耐用，安裝簡(jiǎn)單方便。

應(yīng)用場(chǎng)景

產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在企業(yè)會(huì)議室、機(jī)構(gòu)培訓(xùn)室、學(xué)校教室等各類需要顯示和手寫的場(chǎng)合。

展廳透明顯示應(yīng)用??

傳統(tǒng)顯示器在展覽展示中只能靠墻安裝，大量寶貴的中間區(qū)域只能擺放樣品，無(wú)法展示多媒體的內(nèi)容。光子芯片透明屏，可以擺放在展廳中央，不阻擋人們的視線，以多媒體的形式顯示內(nèi)容。我們的光子芯片透明屏標(biāo)準(zhǔn)尺寸為135寸、80寸兩種，安裝方式分立式和吊裝，可在此基礎(chǔ)上半定制。?

光子AR企業(yè)形象墻

企業(yè)前臺(tái)、大堂、展廳的企業(yè)形象墻，是宣傳企業(yè)文化、提高企業(yè)品牌形象、展示企業(yè)技術(shù)產(chǎn)品的重要的陣地。傳統(tǒng)圖片、視頻、實(shí)物的方式，不能很好地起到這一作用。光子AR企業(yè)形象墻，可以在一個(gè)透明、浮空的玻璃之上，顯示企業(yè)的logo、企業(yè)的文化、視頻和產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)科幻、未來(lái)、黑科技的展示效果，大大地提升企業(yè)的品牌形象。目前已經(jīng)在已經(jīng)在星河地產(chǎn)、深圳中國(guó)以色列創(chuàng)新中心等許多地方有安裝實(shí)例。

商城車庫(kù)入口光子廣告屏 ?

光子晶體科技產(chǎn)品系列圖

基于新型電響應(yīng)光子晶體材料的顯示設(shè)備

基于電子墨水的電泳顯示器具有節(jié)能、護(hù)眼的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于電紙書、電子標(biāo)簽、智能手機(jī)以及公交顯示站牌等應(yīng)用場(chǎng)合。電泳型光子晶體具有色彩飽和、顏色可調(diào)、與現(xiàn)有技術(shù)兼容的特點(diǎn)，是電泳顯示的理想材料，有望解決商用濾膜型彩色電泳屏飽和度低的技術(shù)難點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)電致變色光子晶體響應(yīng)需要持續(xù)施加電壓來(lái)維持特定結(jié)構(gòu)色，致使其始終無(wú)法適配于具有“雙穩(wěn)態(tài)”或“多穩(wěn)態(tài)”特征的電泳顯示技術(shù)。

最近，華東師范大學(xué)葛建平教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種具有雙穩(wěn)態(tài)、可逆切換特性的新型電響應(yīng)光子晶體液態(tài)材料，并將其用于開(kāi)發(fā)低功耗、全彩色電泳顯示設(shè)備。近期，相關(guān)成果在線發(fā)表在知名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上。

與傳統(tǒng)膠體電泳型電致變色光子晶體不同的是，該材料在無(wú)外電場(chǎng)作用下具有兩種穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，分別為膠粒有序排列的結(jié)構(gòu)色狀態(tài)以及無(wú)序排列的無(wú)色透明狀態(tài)。材料中聚乙二醇的引入是實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)顯示的關(guān)鍵，它能夠有效提升膠體分散體系的粘度，抗衡無(wú)序密堆積狀態(tài)下膠粒之間的靜電斥力，凍結(jié)膠粒的布朗運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)序狀態(tài)的穩(wěn)定維持。此外，兩種穩(wěn)態(tài)在外電場(chǎng)短促作用下能可逆切換，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)顯示時(shí)無(wú)能耗，狀態(tài)切換時(shí)小能耗的理想節(jié)能顯示。

圖2具有雙穩(wěn)態(tài)及可逆切換特性的電響應(yīng)光子晶體。

通過(guò)優(yōu)化光子晶體組成配方與外場(chǎng)調(diào)諧條件，該電響應(yīng)光子晶體能夠在各種使用場(chǎng)景下下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定顯示和穩(wěn)態(tài)間的快速可逆切換。同時(shí)，研究人員將光子晶體電子墨水封裝在程序控制的顯示陣列中，成功實(shí)現(xiàn)高分辨率、彩色及灰度顯示，初步證實(shí)了低功耗顯示應(yīng)用的可行性。這種基于雙穩(wěn)態(tài)電響應(yīng)光子晶體的新型顯示技術(shù)與商用電子墨水顯示設(shè)備的控制原理、制備工藝完全兼容，且在彩色飽和度上具有顯著優(yōu)勢(shì)，有望作為下一代彩色電子墨水材料，應(yīng)用于節(jié)能彩色顯示器中。

圖3.基于光子晶體電子墨水的像素陣列和彩色顯示面板。

該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委經(jīng)費(fèi)支持，傅茜茜博士為論文的第一作者，博士研究生余文緣和包光陽(yáng)為共同作者，葛建平教授為論文的通訊作者。

編輯：黃飛