从高分子“应力发白”说开去，你离《Nature》正刊差一点!
作者：汉远星光 钱塘river
应力发白是聚合物在受应力作用时，由于受应力区的局部折射率发生变化而产生区域发白的现象。应力发白可以是材料中微裂纹、微孔和微纤丝形成的结果。在聚合物中的局部受应力处形成微孔和微纤丝往往是一种典型的不良现象，也是造成材料失效的原因之一。常见的应力产生的微裂纹、微孔和微纤丝结构是没有规则的，所以我们看到的相当于漫反射，所以是白色的。
如果你只看到“应力发白”那么你的《Nature》正刊之路就止步于此了！
有心人在“应力发白”中看到了一只闪烁着翅膀、翩翩起舞的蝴蝶，如何调控高分子材料中的微纤维、微腔成为有序的结构呢？
结构色水凝胶蝴蝶（Sci. Robot, 2018, 3: eaar8580.）
其实，这种类型的应力裂纹通常可以由弱到不足以充分溶解聚合物的溶剂加速，渗透和塑化聚合物也可以促进微孔和微纤丝的形成过程。近日，日本京都大学的细胞材料综合科学研究所和分子工程学系的Easan Sivaniah教授领导的团队，突破性地报道了通过有序设计聚合物内部的应力场，有序调节聚合物中微纤维和微腔的结构(microfibrillation)，从而显示出可调控的结构颜色的新技术。这项工作的标题为：Structural colour using organized microfibrillation in glassy polymer film，率先发表在2019年6月19日的《Nature》正刊上！
在这项工作中，Easan Sivaniah教授团队利用驻波光学设计薄膜内部的周期性应力场，可以控制聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚砜等聚合物薄膜中微纤丝和腔体的形成。然后在醋酸溶剂的浸渍作用下形成周期性的应力场，形成微腔和微纤维填充聚合物的交替层，这个过程被称之为有组织的应力微纤颤(microfibrillation)。通过改变聚合物薄膜形成时的温度和溶剂条件来调整颜色，这些多层多孔结构在整个可见光谱上显示出不同的结构颜色。
图1：有组织的应力微纤颤现象。a, 聚合物薄膜在驻波模式内交联，以传递内部应力场。在弱溶剂中，通过形成微纤维应力释放。微纤维组织从而产生结构颜色属性。b-e, 聚苯乙烯薄膜在254 nm波长光下交联形成微纤维的多层结构的SEM横截面照片。f, 在醋酸浸渍过程中膨胀膜厚度与初始膜厚度的之比（膨胀率）。黑色和红色实线分别指在30°C和20°C下形成的聚苯乙烯薄膜; 虚线是指在160°C下减压在30°C下形成的聚苯乙烯薄膜。
图2：结构不受驻波干扰。a, 不同厚度的35-kDa PS/PQ薄膜用来制作有组织的微纤颤结构。b，随着初始膜厚的增大薄膜中多孔层的数量呈规律性增加。c, 16-kDa PS/PQ和160-kDa PS/PQ薄膜微纤丝结构的布拉格峰位置随光照波长的增加而增大。d，对应于c的光谱显示了从蓝色到红色的一系列结构颜色。
Easan Sivaniah教授团队进一步结合使用标准的平版印刷和掩模技术，发展出了一种利用有组织的应力微纤化过程形成的无墨迹大规模彩色印刷过程，在多种不同的柔性透明的衬底上产生分辨率高达每英寸14000点的图像。
图示三：有组织的应力微纤颤法的应用。a, 投影机阴影掩模板用于生成红、绿和蓝色三个单词在35 kda PS/PQ (405-nm, 385-nm和340 nm波长的光)上生成。PDMS用于薄膜干涉色与结构色的分离。b, c, 在柔性透明的PET基底上的192-kDa PS/BDABP上印刷的结构彩色图像。 d，通过35 kda PS/PQ胶片的微LED照明，印刷了《戴着珍珠耳环少女》的画像。e, f，采用192-kDa PS/BDABP微LED照明创作的绘画，印刷了《蒙娜丽莎》的画像。j, k，在192 kda PS/BDABP上印刷的美国空军分辨率图光学显微镜图像显示该分辨率范围可从微型LED打印microfibrillation结构。
小结：该研究成果实现了应力场控制高分子材料中的亚微米结构，创造出符合布拉格衍射的光子晶体，并且能够大规模无墨迹彩色印刷，有望用于食品与药品安全，防伪技术等等。本文的第一作者为Masateru M. Ito，通讯作者为Easan Sivaniah教授和Masateru M. Ito。
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1299-8
来源：高分子科学前沿
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