自然界中，变色龙能够通过改变皮肤表面的微结构实现变色，以适应周围环境的变化。受此启发，研究人员利用有机液晶和反蛋白石材料的有序结构，开发了一系列刺激响应型（PH、温度、溶剂、压力等）结构色材料。然而，上述材料制备工艺相对复杂，还会造成环境污染等问题。此外，传统的刺激响应型结构色材料微结构和颜色难以精确调控，限制了其应用的拓展。羟丙基纤维素（HPC）作为一种环境友好型的纤维素衍生物，能在特定条件下形成液晶并产生结构色，具有良好的机械性能，适用于3D打印和纺丝等领域。当前，缺乏对HPC手性结构与圆偏振光学特性的关联研究，此外，HPC材料的机械响应光学机制需要进一步探讨。
针对上述挑战，东北林业大学刘守新教授团队采用光交联策略将HPC与丙烯酰胺（AM）结合，成功制备了具有可调谐和多重响应特性的纤维素结构色光子水凝胶。HPC水凝胶能够反射右旋圆偏振光，其结构色可通过紫外光照射时间精确调控。同时，光交联制备的HPC水凝胶具有温度和力学双响应的结构色光学特性。此外，HPC光子水凝胶在拉力作用下，展现了从圆偏振光反射到线偏振光反射的可逆转换。基于刺激响应的光学特性，HPC水凝胶被开发为机械响应的圆偏振加密标签、热致变色安全标签以及机械手的光子皮肤。这项工作表明纤维素结构色水凝胶在多功能传感和光学显示领域具有巨大的应用潜力。这项研究成果以“Mechanical and thermal responsive chiral photonic cellulose hydrogels for dynamic anti-counterfeiting and optical skin” 为题发表在《Materials Horizons》杂志上。文章第一作者为东北林业大学硕士研究生李宝琦，通讯作者为东北林业大学刘守新教授、李伟教授和徐明聪教授。该研究工作得到了“十四五”国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国博士后面上基金等项目的支持。
图1. a) 基于HPC光子水凝胶的光和机械力响应的手性结构及光学性质变化示意图。b) 基于HPC光子水凝胶的温度和浓度响应结构变化示意图。c) 机械和热响应HPC光子水凝胶在动态防伪及机械手的光子皮肤应用。
图2. HPC/AM水凝胶的光学性质。a) 不同浓度下HPC/AM光子水凝胶的热响应特性。b) 不同温度下不同浓度的HPC/AM水凝胶的反射波长。c) 20℃时，不同浓度HPC/AM水凝胶的CD光谱。
图3. 通过光交联聚合策略实现HPC/PAM水凝胶的结构色变化。a) 不同UV曝光时间下的HPC/PAM样品的照片。b) 不同UV曝光时间下的HPC/PAM样品的归一化反射光谱。c) 不同UV辐照时间下的HPC/PAM样品的CD光谱。d) 未交联HPC/AM样品的POM图像。e) UV辐照15秒交联后的HPC/PAM样品的POM图像。f) 未交联HPC/AM样品的SEM图像。g) UV辐照15秒交联后的HPC/PAM样品的SEM图像。
图4. HPC水凝胶的热致变色特性。a) 光交联后，在不同温度下的HPC/PAM水凝胶的照片。b)光交联后，不同温度下HPC/PAM水凝胶的归一化反射光谱。c) 不同聚合时间HPC/PAM水凝胶在不同温度下的反射峰变化。d) HPC/PAM水凝胶经过热/冷循环测试的最大反射峰位置。
图5. 弹性HPC结构色水凝胶材料的机械响应光学性质。a) 弹性HPC水凝胶材料在拉伸和压缩力作用下的示意图。b) 不同拉伸应变下弹性HPC水凝胶材料的颜色变化图像。c) 不同压力应变下弹性HPC水凝胶材料的光学图像。d) 不同拉伸应变下弹性HPC水凝胶的反射光谱。e) 不同压力下弹性HPC水凝胶的反射光谱。
图6. 弹性HPC结构色水凝胶材料的圆偏振光学特性。a) 在RCP和LCP下观察到的不同应变程度的HPC水凝胶的图像。b) 不同应变程度HPC水凝胶的CD光谱。
图7. HPC结构色水凝胶材料的多重应用展示。a) 用于机械诱导的圆偏振图案化动态防伪。b) 用于热致变色安全图案化标签。c) i, 用于机械手的光子皮肤。ii, 基于光子皮肤颜色变化识别机械手的抓握动作。iii, 不同温度下机械手光子皮肤的照片和红外热成像图像。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D4MH01646G
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