中科院理化所王京霞研究员与兰州大学郭金山教授合作：在PEDOT光子晶体上水写-电擦多彩图案

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光子晶体图案在传感检测、防伪、光学显示和其它光学器件等方面体现了重要的应用。光子晶体图案的制备经历了最初的非响应性被动式光晶图案，能响应外场刺激的主动式光晶图案及经外场调控后固定的图案三个发展阶段。非响应性光晶图案的制备是通过乳胶颗粒基于模板的自组装或使用乳胶墨水喷墨打印直接获得。响应性光晶图案是在光晶单元中引入光、热、电、磁或溶剂响应材料。所制备的图案可以通过结构色变化来可逆地响应外部刺激，但是一旦离开特定的外部响应条件，图案会随之消失。固定的光晶图案是在外场调控的前提下制备好特殊的图案，然后通过光热或特殊的交联固化作用使图案固化。但图案一旦固化，就不能调控。为满足不断增加的应用需求，需要发展一种新型可控的光晶图案，可根据实际需要实现图案的保留或擦除，这对光晶图案和基材的可重复使用至关重要。

最近，中科院理化技术研究所仿生实验室江雷院士团队王京霞研究员与兰州大学郭金山教授合作在PEDOT光子晶体上实现了多彩图案的水写和电擦。他们通过电聚合制备聚3，4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）光子晶体（PEDOT-IO-0）（图1），发现所制备PEDOT-IO具有四种状态和三种不同的开关形式（图2）：第一个开关是从PEDOT-IO-0到PEDOT-IO-I（中性态）的不可逆的还原过程。第二个开关是PEDOT-IO-I（中性态）和PEDOT-IO-I（氧化态）之间的可逆电化学过程，伴随着由于离子掺杂/脱掺杂引起的可逆带隙（结构颜色）变化。第三个开关是水处理PEDOT-IO-I（氧化态）形成PEDOT-IO-II，由于水诱导LiClO₄分子（Li ⁺和ClO₄^-离子）的去除和周期性结构收缩，引起光晶带隙的蓝移（图3）。

图1. PEDOT-IO-0的制备及PEDOT-IO-I的电化学切换

图2. PEDOT 的四个状态三种开关示意图

图3. 水处理PEDOT-IO-I（氧化态）形成PEDOT-IO-II

通过将PEDOT-IO-1(Ox)水诱导LiClO₄分子去除效应与PEDOT-IO-I的电化学调制相结合，可以实现可逆的水写/电擦多色光晶图案（图4）。该研究工作为基于光子晶体的光学材料和器件的制备提供新的思路。

图4. 光晶图案的可逆水写/电擦

相关研究结果以 “Direct Water-Writing/Electroerasing Pattern on PEDOT Inverse Opals”发表在Adv. Funct. Mater. 2019, 1808473。该文章的第一作者武萍萍为理化所与兰州大学联合培养的硕士研究生，现为理化所博士研究生；中国科学院化学所李永舫院士和蒋克建研究员，北京大学的占肖卫教授，及江雷院士对文章的拔高和润色做了很多指导帮助。感谢国家自然基金的资助（5187322）。

延伸阅读：光子晶体超浸润性赋予具有独特光学调控性能的光子晶体材料在传感、检测、防污、驱动、油水分离等方面的新应用（Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 6833）。理化所仿生材料与界面科学院重点实验室的江雷院士团队科研人员在具有超浸润性光子晶体的制备及应用方面取得系列重要进展。研究人员考察了基底浸润性对光子晶体组装单元-乳胶粒的形貌及其分子组装形式的影响（Adv. Mater. Inter., 2015, 1400365； J. Mater. Chem. C, 2015, 3 ,2445； J. Mater. Chem. C., 2018, 6, 3849）；利用界面特殊的浸润性调控，实现了具有特殊光功能的花形（Chem. Commun., 2015, 51 ,1367）及面包形(Chem. Commun., 2016, 52, 3619)的各向异性结构光子晶体制备。结合超亲水基材及超疏水模板形成的三明治限域作用，制备得到具有良好光波导行为的光子晶体微阵列（ACS Applied. Mater. Interfaces, 2016, 8, 4985）。在此基础上，他们利用金属-有机反蛋白石结构在电浸润情况下的独特的形貌演变，发展为水刻制备光子晶体图案的新方法(Adv. Funct. Mater., 2017, 1605221)。通过利用硅烷化碳点的特殊化学组成及闭孔反蛋白石结合引起的亲油不浸润性能，制备耐溶剂的户外光学涂层(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2018, 10, 6701)及防伪图案(Nanoscale, 2018, 10, 4642)。利用PVDF制备温度诱导的形状记忆功能的反蛋白石结构薄膜(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2018, 10, 4243)。制备具有一端亲水一端疏水的聚离子液体光子晶体，可利用空气中微量湿度变化实现驱动器件制备(Chem. Commun., 2016, 52, 5924，ACS Nano, 2018, 12,12149-12158)。 将液晶弹性体引入到光子晶体结构中，利用液晶弹性体和光子晶体与溶剂的不同浸润行为，实现在溶剂中快速卷曲及解卷曲的驱动器件制备（Soft Matt, 2018, 14,5547-5553）, 在此基础上，综述了液晶的仿生驱动器件研究进展（J. Mater. Chem. C, 2019, 7,3413-3428）

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201808473

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