大连理工大学张淑芬教授团队CEJ：具有亮丽结构色快速水响应的双反蛋白膜

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响应性光子晶体因其能够对外部刺激产生可调的光学性能而得到了深入的研究，其中水响应光子晶体因其无污染、环保的特点而受到广泛关注。根据布拉格定律，高折射率比是获得结构色不可或缺的条件。然而，液体渗透取代蛋白石内部缝隙或者反蛋白结构孔内的空气会造成蛋白石或反蛋白石与填充材料的折射率相近，据此制备的水响应型光子晶体遇水时，光子禁带（PBG）减弱而使颜色亮度大幅降低。还有报导通过水凝胶基质的溶胀行为，调整光子晶体周期性晶格常数，或使用软结构胶体粒子作为构建模块改变折射率比，构建了水响应光子晶体，但其响应速度较慢，同时水凝胶材料需要保持其中的水分以维持结构稳定。因此，构建新型双反蛋白光子晶体结构，当液体填充时，使反蛋白石内部随机分布的聚苯乙烯（PS）微球受液体浮力作用而均匀分布，实现快速水响应以满足实际应用是非常必要的。

最近，大连理工大学张淑芬教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Fast Water-Response Double-Inverse Opal Films with Brilliant Structural Color”的文章，首次制备出响应时间快、颜色亮丽的新型水响应双反蛋白（WRDIO）膜。这种快速水响应和易于使用具有亮丽结构色的薄膜材料在用户交互式防伪和传感器领域显示出潜在的应用前景。

图 1. 氢键诱导润湿性改变的双反蛋白光子晶体膜的原理和功能示意图

它的原理是，受莲蓬启发，将PS微球引入到反蛋白骨架中，制备了粒子嵌套的双反蛋白结构。水响应过程是通过诱导反蛋白骨架孔内的PS球在水环境中从随机分布到受液体浮力作用而均匀分布，从而消除了散射干扰，产生了亮丽的结构色。

图 2. 氢键诱导润湿性转变的表征

反蛋白骨架主链中碳酸钠处理后羧基的去质子化有效抑制了聚合物链之间氢键的形成，同时暴露的羧基阴离子导致亲水性，这有利于水快速渗透进反蛋白骨架的孔内。

图 3. 非溶胀水响应双反蛋白膜用于信息安全

利用区域浸润性差异，制备了具有高度不可见图案，通过水刺激响应快速解密的双反蛋白膜。(水解密视频如下)

图 4. 渗透压驱动溶胀的水响应双反蛋白膜用于传感检测

聚合物中羧基阴离子的含量会影响到光学性能，高比例羧基阴离子引起的渗透压升高会使制备的双反蛋白膜快速被水溶胀，而乙醇则不能使其溶胀。宽范围的光谱移动(≈92 nm）取决于乙醇-水混合物的组成，在富含乙醇的体系中尤其灵敏。(溶胀响应视频如下)

相关成果近日发表在《Chemical Engineering Journal》上，DOI：10.1016/j.cej.2021.131213。论文的通讯作者为大连理工大学张淑芬教授，第一作者为化工学院博士生周常通。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721027947

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