【科技自立自强】西安交大

  在纳米纤维素结构色材料的热-电-磁驱动多色分离和动态调控领域取得重要进展

  响应型结构色材料能够对外界刺激做出一定的反应，并能动态调控其结构色，被大范围的应用于彩色涂层、显示器、可视化传感器、信息安全、军事伪装和智能可穿戴器件等领域，并成为近年来的研究热点。然而，目前相关研究多集中在对单一色彩单元的调控，且材料制备工艺相对复杂，刺激手段和调制方式单一，极大地限制了此类材料的实际应用。因此，探索新的刺激手段和调制方式以实现单一材料的多色分离成为了人们关注的重要课题。近年来，受变色龙色彩调控机制的启发，人们已经提出并发展出了多种结构色调控策略，但在设计和开发更易获取的刺激响应方式并实现多色分离和色彩重构方面仍然面临着极大挑战。

  针对这一课题，西安交通大学物理学院研究团队借鉴变色龙的色彩调控策略，通过将羟丙基纤维素(HPC)与聚(丙烯酸-丙烯酰胺)(P(AA-AM))水凝胶结合，成功制备了具有多色分离能力的胆淄相纤维素复合材料（CPCC）。由于复合体系中胆淄相HPC的螺距随温度上升而增大，且螺距变化范围受复合体系中水凝胶交联度的影响，因此能通过改变水凝胶的交联度来调控HPC结构色对温度的响应行为，进而实现温度诱导下的多色分离(如图1所示)。研究之后发现，提高HPC的浓度可以大大降低胆淄相HPC的螺距，并使得高浓度下不同交联度的CPCC在室温下的反射峰波长始终处于紫外区域，即室温下始终不显示结构色，材料呈透明状态；而随着温度上升，胆淄相HPC的螺距逐渐增大，反射峰波长逐渐红移进入可见光波段，从而表现出温度诱导的多色分离现象(如图2所示)。这一发现为以温度为密匙的防伪材料的设计提供了新的思路。

  为了进一步实现结构色的电刺激调控，将CPCC与导电碳油结合，利用导电碳油形成的碳层作为导电基底，通过施加电压在碳层中形成的电流产生的焦耳热对上层CPCC加热，进而实现结构色的动态调控。由于CPCC优异的热响应能力，所形成的薄膜在0~3V的电压下就可以实现结构色在整个可见光范围的调控；同时通过对复合体系中水凝胶交联度的局部调控，所形成的CPCC薄膜表现出低电压驱动的多色分离能力(如图3所示)。

  同样基于CPCC的热敏特性，结合FeNi3磁性合金纳米粒子优异的磁热性能，研究人员设计了一种可通过磁场进行多色分离的方法。在高频交变弱磁场作用下，FeNi3纳米粒子可通过磁滞损耗、弛豫损耗等方式将磁场能高效地转变为热能，从而对纤维素薄膜进行快速加热，实现磁场诱导下的结构色动态调制。进一步利用FeNi3纳米粒子在基底中的像素化分布及浓度变化，可实现各像素点结构色的独立调控，从而获得弱磁场作用下的多色分离和像素化显示效果（如图4所示）。

  图5 HPC-P(AA-AM)复合材料在热致变色显示、电热驱动像素化显示及热-电-磁驱动的信息加密中的应用

  最后，研究人员将上述热-电-磁三种结构色调控策略进行了集成，并结合复合体系中水凝胶交联度的图案化分布设计，实现了结构色的多通道显示和调控。其中，三种调控手段既可单独作用也可相互协同，从而在单一材料中获得了丰富的、多层次结构色显示效果。这种通过热-电-磁多重刺激实现多色分离的方法，在彩色显示、信息加密和防伪等领域有着独特的优势和广阔的应用前景。

  该成果近日发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials），西安交通大学物理学院为唯一通讯单位，文章第一作者是西安交通大学物理学院博士生温小翔，西安交通大学物理学院卢学刚教授、杨森教授为论文通讯作者。该项研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和陕西省自然科学基金的支持。

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