“软球”凝胶光子晶体固定化的新方法学术资讯

来源：高分子科学前沿

光子晶体（CPCs）是一种周期性排列的介电材料，且具有独特的光学特性。目前研究最多的智能光学材料是以温度响应性的聚N-异丙基丙烯酰胺纳米水凝胶（PNIPAm）制备的CPCs。这类响应性CPCs与传统光学材料最大的不同之处在于，它们可以通过可控制和按需的方式，通过光学输出对外界刺激做出响应。

近日，东华大学-化学化工与生物学院-鲁希华教授团队首次实现利用温度触发的溶胶-凝胶化转变过程将温敏性纳米水凝胶光子晶体固定化，相关结果以“In-situ Formed Thermogelable Hydrogel Photonic Crystals Assembled by Thermosensitive IPN Nanogels”为题发表于材料学知名期刊《Materials Horizons》(IF: 12.3)，并被选为封面。鲁希华教授、李雪婷博士为该论文共同通讯作者，博士生李晓晓为第一作者，东华大学为通讯单位。

温度响应性PNIPAm-based “软球”CPCs，在相变温度（Tp）以上，由于颗粒急剧收缩，导致结构色以及晶体结构的消失。到目前为止，绝大多数解决这一问题的方法都是基于凝胶固定化，即将CPCs通过不可逆的共价键“嵌入”另一个水凝胶基质中，这种方法制备过程复杂、低效且耗时。因此，开发一种有效的方法来固定脆弱的PNIPAm-based CPCs具有重大意义，但具有挑战性。

除了自组装为凝胶光子晶体，PNIPAm-based纳米水凝胶在一定条件下，当温度升至其Tp以上时，由于PNIPAm疏水基团之间的物理交联作用，PNIPAm-based纳米水凝胶可以发生溶胶-凝胶化转变（sol-gel），即在Tp以下时，纳米水凝胶呈现可流动的液体状态（sol），当温度高于Tp，纳米水凝胶瞬时变为不可流动的宏观水凝胶状态（gel），且这个相态转变过程是可逆的。

针对上述PNIPAm-based纳米水凝胶的特点与挑战，鲁希华团队首次提出了在保持凝胶光子晶体有序结构前提下，利用温度触发的溶胶-凝胶化转变将PNIPAm-based纳米水凝胶光子晶体固定化。

研究团队首先制备了PNIPAm纳米水凝胶，然后以该纳米水凝胶为母液，引入丙烯酸（AA）单体，并引发原位聚合，制备了具有互穿网络结构的PNIPAm/PAA IPN纳米水凝胶，待该IPN纳米水凝胶自组装为CPCs后，将温度升至IPN纳米水凝胶的Tp以上，通过PNIPAm疏水基团之间的物理交联作用使IPN纳米水凝胶发生原位溶胶-凝胶化转变。由于PAA网络抑制了PNIPAm网络的收缩，因此IPN CPCs在Tp以上仍具有高度有序结构，且该晶体结构被溶胶-凝胶化过程固定化。

此外，该研究团队还探讨了IPN CPCs被成功固定化的条件，以及IPN CPCs的浓度对凝胶化温度的影响。

该研究的意义在于提供了一种实现凝胶光子晶体结构固定化的新方法，这将是“软球”凝胶光子晶体领域的一个重要研究进展。

来源：Polymer-science 高分子科学前沿

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