基本信息
- 项目名称：
- 热可逆物理凝胶光子晶体及其衍生传感器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 光子晶体作为一种特殊的材料有着广泛的应用，特别是水凝胶构筑的光子晶体材料在传感器、激光器及仿生材料等方面应用普遍。本发明的创新点在于使用辅助增塑溶剂及物理控制凝胶化，制备固定化光子晶体阵列的凝胶光子晶体材料。所得材料因其优良的物理性能适合进一步改性修饰，作为传感材料应用。
- 详细介绍：
- 光子晶体是一种由具有不同折射率的材料在空间交替排列构成的周期性结构。当光波在周期势场中传播时，由于受到布拉格散射会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。光波的能量落在带隙中，传播是禁止的，光子晶体的特征就是具有光子带隙，并且通过对光子带隙控制和调节实现对不同波长光的操控，在光电子学领域具有广范围应用。 在光子晶体的诸多应用中，由水凝胶构筑的光子晶体材料可以通过凝胶体积的胀缩改变内部光子晶体阵列的晶格间距，从而改变材料的光子带隙位置，因此这种光学器件可以应用于传感器、激光器及仿生材料等。 美国专利US 6,544,800公开了一种聚合的胶体晶阵列光子晶体。它是由单分散的胶体微球，如聚苯乙烯、二氧化硅等，依靠静电斥力在溶液中自组装成为具有三维周期性结构的胶体晶体阵列，而后用化学聚合的方法制备成水凝胶光子晶体。利用化学修饰的水凝胶受环境刺激产生不同的胀缩特性，用于化学传感。然而，这种光子晶体必须依靠紫外辐照引发单体或低聚物聚合，由于光子晶体阵列会受到杂离子的影响，因此所选单体或低聚物必须为非离子型材料。 采用物理交联的水凝胶作为光子晶体阵列的载体（S. A. Asher et al, Chem. Mater. 2008, 20, 7501），可以避免紫外辐照的污染，制备工艺简单，无需光聚合中的精密石英器皿，甚至能够在金属和塑料等不透明模具中制备。但是，此方法获得的凝胶光子晶体强度仍然不够理想。 本发明的目的是克服现有技术存在的缺点，提供一种热致可逆的物理凝胶光子晶体材料及其制备方法。其特征在于以聚乙烯醇作为凝胶基体材料，通过添加辅助增塑溶剂及物理控制凝胶化，制备固定化光子晶体阵列的凝胶光子晶体材料。该方法制备的凝胶光子晶体材料较传统凝胶光子晶体强度更高，可以根据温度、pH值、拉伸应力等参数的变化改变其晶格常数、折射率等结构参数。即通过凝胶的胀缩，可以改变体系内光子晶体阵列的带隙位置，从而产生材料宏观颜色的变化。此外，物理凝胶化的光子晶体材料另一个重要优势在于其热致可逆性，可实现材料的重复制备及反复利用。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 光子晶体作为一种特殊的材料有着广泛的应用，特别是水凝胶构筑的光子晶体材料在传感器、激光器及仿生材料等方面应用普遍。本发明的基本思路是采用物理交联的水凝胶作为光子晶体阵列的载体，选用辅助溶剂使体系的冰点下降到凝胶化的温度以下，从而获得性能更好的凝胶光子晶体材料。 本发明的创新点在于使用辅助增塑溶剂及物理控制凝胶化，制备固定化光子晶体阵列的凝胶光子晶体材料。技术关键在于辅助溶剂的选择及其用量，从而获得强度更高、衍射性能更加优良的光子晶体材料，所得材料因其优良的物理性能适合进一步改性修饰，作为传感材料应用。制备的物理凝胶光子晶体材料相对于光聚合的凝胶光子晶体材料有着突出的优势：（1）凝胶机械强度高，可抵抗环境扰动对材料产生的破坏以及对传感产生的影响，良好的机械性能亦为光子晶体材料的化学修饰提供保证；（2）具有热可逆性能，不仅可以达到重复制备、循环利用的目的，同时能突破PCCA只能以非离子型材料为单体的瓶颈，以GCCA为基体，将所选离子型单体在基体中进行二次聚合，最后利用热可逆性能去除基体，从而得到离子型PCCA；（3）物理凝胶化条件简单易控，反应可在不透光模具中进行，且GCCA可以制备成任意尺寸及几何形状以适合于所需使用环境。总结来说，用本发明中诉述的方法制备的物理凝胶光子晶体材料强度更高，制备简单，可以大面积应用，应用前景更好，为可视化检测如应力应变、温度、pH值、溶剂、金属离子等外界参数提供了一个简单且高效的方法。
科学性、先进性
- 本发明提供了一种热致可逆的物理凝胶光子晶体材料及其衍生传感器的制备方法。既以聚乙烯醇作为凝胶基体材料，通过添加辅助增塑溶剂及物理控制凝胶化，制备固定化光子晶体阵列的凝胶光子晶体材料。与现有的聚合凝胶光子晶体材料相比，本方法可以避免紫外辐照的污染，制备工艺简单，无需光聚合中的精密石英器皿，甚至能够在金属和塑料等不透明模具中制备。制备的凝胶光子晶体材料较传统凝胶光子晶体强度更高，同时，可以根据温度、pH值、拉伸应力等参数的变化改变其晶格常数、折射率等结构参数。即通过凝胶的胀缩，可以改变体系内光子晶体阵列的带隙位置，从而产生材料宏观颜色的变化。此外，物理凝胶化的光子晶体材料另一个重要优势在于其热致可逆性，可实现材料的重复制备及反复利用。
获奖情况及鉴定结果
- 于2011年4月在华东理工大学华东理工大学第九届“奋进杯”二等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利公开
作品可展示的形式
- 现场演示、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本发明中在制备物理凝胶光子晶体（GCCA）薄膜材料中，研究中发现，在使用甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、二甲基亚砜中的一种或几种的混合体作为辅助溶剂，并且用量保持在质量分数为10-25%时，制备的物理凝胶光子晶体材料相对于光聚合的凝胶光子晶体材料有着突出的优势：（1）凝胶机械强度高，可抵抗环境扰动对材料产生的破坏以及对传感产生的影响，良好的机械性能亦为光子晶体材料的化学修饰提供保证；（2）具有热可逆性能，不仅可以达到重复制备、循环利用的目的，同时能突破PCCA只能以非离子型材料为单体的瓶颈，以GCCA为基体，将所选离子型单体在基体中进行二次聚合，最后利用热可逆性能去除基体，从而得到离子型PCCA总结来说，用本发明中诉述的方法制备的物理凝胶光子晶体材料强度更高，制备简单，可以大面积应用，应用前景更好，为可视化检测如应力应变、温度、pH值、溶剂、金属离子等外界参数提供了一个简单且高效的方法。
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