西安交大《AFM》：低能耗驱动—纤维素结构色材料实现多色分离新突破

针对这一课题，西安交通大学的卢学刚教授与杨森教授团队借鉴变色龙的色彩调控策略，开发了通过热-电-磁驱动实现纤维素结构色材料多色分离的方法。将羟丙基纤维素（HPC）与交联的聚（丙烯酸-丙烯酰胺）（P（AA-AM））网络结合，成功制备了纤维素复合材料（CPCC），实现了从室温下的均一色到较高温度下（≤ 60 °C）的多彩颜色转变。通过调整CPCC中聚合物水凝胶的交联度以及将导电碳油和FeNi₃磁性纳米颗粒像素化分布，实现了在低电压（< 2.50 V）和弱交变磁场（2.42 mT，0.50 MHz）驱动下的多色分离和像素化显示，显示了材料在彩色显示、信息加密和防伪领域的广泛应用前景。该工作近日以“Bio-Inspired Cellulose Composites with Multicolor Separation via Electro-Thermal and Magneto-Thermal Techniques for Multifunctional Applications”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

纤维素复合材料的多色分离机制

纤维素复合材料是由羟丙基纤维素（HPC）自组装形成的胆淄相液晶结构（CLC）与水凝胶复合而成。当温度升高时，CLC的螺距增大，且螺距变化速率受复合体系中水凝胶交联度的影响，因此可以通过改变水凝胶的交联度来调控CPCC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。

图1  受变色龙启发的纤维素复合材料的热致多色分离机制

研究发现，提高HPC的浓度可以有效降低CLC的螺距，并使得高浓度下不同交联度的复合材料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；而随着温度升高，CLC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。

图2  纤维素复合材料的热响应多色分离

纤维素复合材料的电驱动多色分离

为了进一步实现结构色的电刺激调控，研究将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。当施加电压时，碳层中的电流产生焦耳热，从而加热上层的CPCC，实现对结构色的动态调控。由于CPCC优异的热响应能力，使其在0~3V的电压下即可实现结构色在整个可见光范围的调控；通过对复合体系中水凝胶交联度的局部调控，所形成的CPCC表现出低电压驱动的多色分离能力，如图3所示。

图3  纤维素复合材料的电响应多色分离

纤维素复合材料的磁驱动多色分离

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，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CPCC进行加热，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4  纤维素复合材料的磁响应多色分离

纤维素复合材料多色分离的应用示例

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，从而在单一材料中可实现丰富的、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。

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

小 结

研究者通过将HCP与交联的P（AA-AM）网络相结合，并引入了导电碳油和FeNi₃磁性纳米颗粒，开发了一种通过热-电-磁驱动实现多色分离的方法。系统研究了热、电、磁驱动下CPCC的颜色分离效果。最后演示了其在像素化图案显示和多级信息加密领域的应用，展示了其对温度、电压和磁场的综合响应能力。这种在低电压（< 2.50 V）、弱磁场（2.42 mT，0.50 MHz）下即可实现颜色分离的方法，在彩色显示、信息加密、多级防伪等领域具有广阔的应用前景。

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