智能響應(yīng)型光子晶體具有動(dòng)態(tài)可調(diào)的光調(diào)制性能，其產(chǎn)生的獨(dú)特結(jié)構(gòu)色能夠發(fā)生寬范圍的響應(yīng)變色效果，在色度傳感、節(jié)能顯示、信息加密、商品防偽等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其中，溶劑響應(yīng)型光子晶體能夠識(shí)別混合體系中特定的溶劑組分，將這類化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成裸眼可視的光學(xué)信號(hào)，為多組分溶劑的定量定性分析提供了一種新型的在線可視化技術(shù)。然而，已有溶劑響應(yīng)型光子晶體受限于其較低的靈敏度，難以定量分析完全互溶體系中的微量共溶劑組分。

針對(duì)此問題，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室智能高分子材料團(tuán)隊(duì)陳濤研究員和樂曉霞副研究員提出在光子晶體中引入刷狀聚合物凝膠組分構(gòu)筑刷狀光子凝膠的設(shè)計(jì)策略，利用刷狀聚合網(wǎng)絡(luò)中丙烯酸酯主鏈和寡聚乙二醇側(cè)鏈在水/乙醇二元混合體系中的逐級(jí)舒展特性，顯著提高了光子凝膠針對(duì)富乙醇體系中對(duì)微量水含量變化的響應(yīng)變色靈敏度（圖1）。

在該工作中，為了實(shí)現(xiàn)響應(yīng)變色靈敏度的提高，科研人員通過調(diào)控聚乙二醇側(cè)鏈聚合度、側(cè)鏈末端官能團(tuán)結(jié)構(gòu)以及交聯(lián)程度等，制備了一類在水、乙醇中具有顯著溶脹度差異的刷狀凝膠網(wǎng)絡(luò)；將這類刷狀聚合物凝膠與由ZnS@SiO₂微球構(gòu)筑的蛋白石型光子晶體相復(fù)合，構(gòu)筑了刷狀光子凝膠。利用時(shí)間分辨反射光譜測(cè)試技術(shù)詳細(xì)表征了刷狀光子凝膠的溶劑響應(yīng)變色性能。如圖2所示，在富乙醇濃度范圍內(nèi)（V_ethanol>90%，V_water<10%），刷狀光子凝膠的反射峰特征波長(zhǎng)與混合溶劑中的水含量呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系。在水含量從0%增加至1%時(shí)，光子凝膠的反射峰特征波長(zhǎng)能夠在100 ms左右的時(shí)間內(nèi)迅速向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向位移超過30 nm，進(jìn)而引起其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色快速變化。利用這類具有高靈敏度和快速響應(yīng)性能的刷狀光子凝膠，進(jìn)一步發(fā)展了其在燃料乙醇儲(chǔ)運(yùn)過程中的水含量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

該工作近期以題為“Brush-Like Polymeric Gels Enabled Photonic Crystals toward Ultrasensitive Cosolvent Chromis”的論文發(fā)表在Angewandte Chemie上（Angew. Chem. Int. Ed., 2024, e202414136；DOI： 10.1002/anie.202414136），并被選為Hot Paper。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFB3204300）、國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃（GZC20232792），國(guó)家自然科學(xué)基金（52103246）、寧波市國(guó)際合作項(xiàng)目（2023H019）和中德合作國(guó)際交流項(xiàng)目（M-0424）等項(xiàng)目的資助。

圖1 刷狀光子凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖及其在乙醇/水共溶作用下響應(yīng)變色機(jī)理

圖2 刷狀光子凝膠對(duì)富乙醇體系中微量水含量的響應(yīng)性能

（海洋關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 吳越）