南京邮电大学赵强团队:刺激响应型光功能材料在绿色与安全打印领域的最新进展

科技工作者之家 2020-07-29

来源:科匠学术

本文由通讯作者-赵强教授受邀撰写,由衷感谢他对科匠学术的支持!一、研究背景:

尽管电子媒体已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分,但纸张仍然是目前应用最为广泛的信息存储介质,许多重要的文件仍然存储于纸张上。因此,人们对纸质文档的特殊要求越来越高。一方面,环境污染和资源匮乏严重影响了人们的生活质量,而对纸张的回收和二次利用,不仅成本高昂,而且会大大降低纸张质量,同时墨水处理过程也会对环境产生较大危害,因此迫切需要发展更加绿色、安全、低价的可重复使用纸张。另一方面,信息安全是目前全球关注的焦点问题,数据泄露会导致严重的经济与社会问题。因此,发展可擦除、高级别的先进打印技术具有重要的科学意义和实际价值。刺激响应型光功能材料在外界刺激作用下,其光物理性质能够发生显著变化,利用这种光功能材料作为“墨水”记录信息或者使用这类材料制备“纸张”是实现绿色与安全打印的潜在有效途径。

二、文章简介:近日,南京邮电大学赵强教授团队对近几年刺激响应型光功能材料在绿色与安全打印领域的研究内容进行了综述。相应综述以“Stimuli-responsive photofunctional materials for green and security printing”为题发表在期刊InfoMat,南京邮电大学马云副教授为第一作者。文章系统总结了光致变色、湿敏变色、酸/碱变色、热致变色等材料在该领域最新进展,并深入讨论了该领域面临的挑战和未来的发展方向。

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三、文章内容:1、光致变色材料

光致变色是光诱导的有机、无机、生物和聚合物材料的可逆颜色转变的现象。光致变色材料由于在开发分子开关、光学数据存储、光电器件、光控药物释放等方面的潜在应用而引起越来越多的关注。其中,在光刺激下具有turn-on/off开关效应的变色材料已被应用于光学信息记录与保护领域。将锌离子与结晶紫内酯衍生物配位,通过诱导效应降低氮原子的负电荷密度,稳定开环异构体,改变对锌(II)离子中心电荷密度有直接影响的抗衡离子,成功实现了光致变色响应速率的调控。基于此,利用锌(II)盐水溶液作为墨水,将加密的信息打印在涂抹结晶紫内酯的安全纸上可记录隐藏信息,当用紫外光持续照射后,记录的信息能够清晰的显现。由于结晶紫内酯与不同锌盐配位后会得到具有不同变色速率的光致变色材料,以不同锌(II)盐水溶液作为墨水可以实现更高级别的安全打印,不同的光照时间会显示出不同的信息,只有知道准确的光照时间才能获取正确的信息。(Sci. Adv., 2020, 6, eaaz2386)

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图1. 光致变色材料用于安全打印。

2、湿敏变色材料

湿敏变色材料可以基于水响应发生颜色或者发光颜色的变化,已经成功应用于水溶变色湿度传感器、汗孔测绘系统、有机溶剂中痕量水检测等方面。由于水具有清洁、绿色、低成本、方便以及与当前喷墨打印的相容性等优势,湿敏变色变色材料在绿色与安全打印领域中具有巨大应用前景。离子型锰配合物的离子配位作用很容易被极性溶剂破坏,从而导致发光猝灭。根据这种可逆的光开/关特性,发展了易于操作和低成本的无墨喷水可擦写安全打印技术。含锰配合物的薄膜在不同相对湿度下发射光谱发生变化,随着相对湿度的增大,其发光强度不断下降。基于此,制备了一种层层结构的可擦除安全纸张。如图所示,所记录的信息在日光下不可见,但在紫外光下却能清楚地显示出来。重要的是,通过简单的吹风机加热纸张15至30秒便可使信息消失,纸张便能用于记录其它信息。研究表明,该打印与擦除过程可至少重复30次。(Matter, 2019, 1, 1644)

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图2. 湿敏变色材料用于可擦写安全打印。

3、热致变色材料

热致变色材料是指一类在加热或者冷却条件下,吸收光谱或者发射光谱发生变化的功能材料,同样在绿色与安全打印中显示出巨大的应用潜力。金属-配体配合物的光物理性质对周围微环境变化十分敏感,随着温度的升高,聚合物的内部环境剧烈变化,从而导致配合物光物理性质的变化。将配合物掺杂于不同分子量的聚乙二醇中,由于聚合物熔点的变化,材料的响应温度可以有效调控。为了实现打印方面的应用,将聚合物涂抹于滤纸上作为打印纸,金属配合物的乙醇溶液作为墨水,使用商用的喷墨打印机在处理过的打印纸上可实现安全信息与防伪标签的打印。在室温下打印的材料在日光下和365 nm的紫外灯照射下是读取不到信息的,随着温度的升高,隐藏的信息清晰的显现。(Adv. Optical Mater., 2020, 8, 1901687)

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图3. 热致变色材料用于安全打印。

4、动态金属-配体配位

将吡啶类配体与聚合物膜(PEG-PPG-PEG)涂于滤纸上,用不同的金属盐水溶液作为墨水,喷墨打印图案或文本时会与纸上的配体配位,从而使纸张改变颜色。由于可用的金属盐种类丰富,因此可以打印出丰富多彩的颜色。进一步,利用纯水可以调控配位键引起发光颜色的改变,从而实现绿色环保的无墨喷水打印。重要的是,所打印的文字在六个月后仍然清晰可见,通过简单的加热便可将纸上记录的信息擦除。(Nat. Commun., 2018, 9, 3)

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图4. 动态金属-配体配位原理用于绿色打印。

四、总结与展望:近年来,尽管该领域取得了长足的进展,为了早日实现它们在实际中的应用,目前仍存在一些问题亟需解决:在绿色打印方面,大多数只能在一页纸上显示一种颜色,这限制了它们在多色信息记录中的实际应用。此外,大多数可擦写纸在环境条件下只能将颜色或发光保持几个小时或几天,不利用于长期信息存储。因此,在将来,开发用于制备可重写纸以实现多色信息打印和长期信息存储的刺激响应性功能材料具有重要意义。对于安全打印领域,大多数广泛使用的方法具有较低的复杂度和较高的可预测性,因此可以轻松地破解所记录的信息。因此,如何进一步提高文本的安全性是该研究领域的重要挑战。我们相信,发展具有可控响应行为的刺激响应光功能材料是实现此目标的有效途径。

五、致谢:

感谢国家杰出青年科学基金(61825503)、国家自然科学基金面上与青年基金(21701087、61775101)等项目对本研究的资助。


来源:kejiang_Science 科匠学术

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