【摘要】

使用形状记忆光子晶体制备的响应材料在可重写光子器件、安全特征和光学涂层中具有潜在的应用。最近，英属哥伦比亚大学Mark J. MacLachlan教授团队通过将手性向列纤维素纳米晶体 (CNC) 嵌入聚丙烯酸酯基质中，形状记忆光子晶体热塑性塑料 (CNC-SMP) 可以可逆地捕获不同的颜色状态。

在该系统中，温度用于对形状记忆响应进行编程，而压力用于压缩 CNC 手性向列组织的螺距。通过增加施加的力（≈140-230 N），结构颜色可以从红色调整为蓝色。然后，根据需要，CNC-SMP 可以通过将其加热到玻璃化转变温度以上来恢复到其原始状态。该循环可以执行 15 次以上，而不会损失任何形状记忆行为或样品的机械退化。此外，通过使用带图案的基板按压样品，可以将多色读数编程到手性向列型 CNC-SMP 中，而 CNC-SMP 的玻璃化转变温度可以通过改变使用的单体组成在 90 °C 范围内进行调整制备聚丙烯酸酯基质。相关论文以题为Shape-Memory Photonic Thermoplastics from Cellulose Nanocrystals发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图导读】

图1 手性向列 CNC-SMP 的顺序编程和恢复的示意图。简而言之，i) 将 CNC-SMP 加热到其玻璃化转变温度(Tg)以上，软化 SMP 基质；ii) 压制软化的 CNC-SMP 会降低嵌入的手性向列型 CNC 的螺距，改变材料的结构颜色；iii) 将材料冷却至其 Tg以下，同时在压力下，将 CNC-SMP 锁定在其新构象中并捕获着色状态；iv) 根据需要，CNC-SMP 可以通过加热 (T>Tg) 恢复，这允许 SMP 恢复其原始形状和颜色。

图2 手性向列型 CNC-SMP 的4步制备示意图。通过水蒸发制备手性向列 g-CNC 薄膜，然后用 DMSO (SOAK1) 溶胀薄膜，单体渗透 (SOAK2)，然后热聚合以产生手性向列型 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'-亚甲基双丙烯酰胺、UPyMA、AIBN（1:0.4:0.3:0.007:0.004:0.001 摩尔比）。

图1 具有可逆可见颜色的手性向列型 CNC-SMP 的表征。a) 施加机械应力时 CNC-SMP 发生的情况的示意图。b-e) 在 b) 0 N、c) 140 N、d) 180 N 和 e) 230 N 处压制的 CNC-SMP 的照片。f) 压制的 CNC-SMP 的归一化 UV-vis 吸收光谱†；λmax = 493、576 和 719 nm（从左到右）。g) 压制的 CNC-SMP 的归一化圆二色光谱†；λmax = 458、567 和 705 nm（从左到右）。比例尺 = 1 厘米。

图2 CNC-SMP 在 200 N 压力下的循环性能。a-e) 手性向列 CNC-SMP 复合材料的图像 a) 压制前，b) 第三次压制，c) 从第八次周期恢复，d) 压制到第十一次周期和 e) 从第十五次周期恢复。f) 绘制 CNC-SMP 在 15 个周期内按下和恢复状态的平均 RGB 值的图表。g) 绘制了 CNC-SMP 在 15 个周期内按下和恢复状态的面积变化的图表。h,i) CNC-SMP 复合材料在 h) 压制状态（第 11 次循环）和 i）恢复状态（第 15 次循环）中的颜色分布的图形表示。比例尺 = 1 厘米。

图3 CNC-SMP 复合材料印有加拿大镍的图像，a) 未压制，b) 压制和 c) 恢复。d) 用于压印的镍的图像。比例尺 = 1 厘米。

【总结】

该团队制备了一种手性向列型 CNC-SMP 来生产具有形状记忆的热塑性塑料，这与可见颜色的可逆变化有关。CNC-SMP 的光学性能通过反射光学显微镜、紫外-可见光谱和 CD 光谱表征，而 2D-XRD 用于研究微观结构。当 CNC-SMP 被加热到高于其 Tg并被压缩时，颜色会随着压力的增加从红色变为绿色到蓝色，这是由于在施加机械应力时手性向列组织的螺距被压缩。该过程可以执行 15 次以上，而不会损失任何形状记忆行为或样品的机械退化。此外，通过使用带图案的基板按压样品，可以将多色读数编程到手性向列 CNC-SMP 中。制备具有可逆可见颜色和手性向列形状记忆的手性向列型 CNC-SMP 的能力增加了不断增长的响应光子晶体复合材料库。这些反应灵敏的形状记忆热塑性塑料可能具有作为温度指示器、压力传感器和智能包装的潜在应用。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202103268