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四川大学张楚虹、张新星《AFM》:具有实时、可逆和可持续光书写特性的多级响应材料

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高分子科学前沿 2021-09-14 13:22

随着5G技术的快速发展,智能材料和设备正在通过物联网(IoT)改变我们的生活。然而,物联网和相应设备的增长趋势将涉及大量电子产品,其短暂的营业额正在导致全球范围内电子垃圾的增长和严重的生态挑战。可写材料在智能控制、信息安全保护和防伪等方面引起了极大的兴趣,因为书写的图案能够有效地传递信息。然而,高能激光和相应高温的写入过程通常会导致材料碳化和不可逆的写入信息。因此,具有自擦除能力的可写材料引起了极大的兴趣,并被提出用于信息安全保护。但这些材料的擦除和改写的实现通常需要特殊的条件(如溴化氢、尿素溶液),没有实时响应能力,这极大地限制了它们的实际应用。迄今为止,如何在温和条件下设计具有实时、可逆和可持续书写能力的材料仍然是一个巨大的挑战。

鉴于此,四川大学张楚虹教授张新星教授合作报道了一种精心设计的多级响应材料,用于基于有组织的逐级响应行为和极性依赖性物理化学荧光响应的实时、可逆光写入,其中刺激通过完全可逆的“光-热-荧光”途径。所得材料可通过手控近红外激光在5秒内无污染写入,20秒内自发擦除,并表现出优异的重写能力(超过5000次,而色度坐标方差<0.0008)这是传统激光写入技术难以实现的。这项研究是面向未来物联网生活方式的基于可逆多级响应材料的高性能长寿命功能设备迈出的一步。相关工作以“Multistage Responsive Materials for Real-time, Reversible, and Sustainable Light-Writing”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。

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材料设计和表征

多级响应水凝胶由几种不同的成分组成,这些不同的材料和官能团经过精心合成和组织。刺激是通过完全可逆的“光-热-荧光”途径传递的图1)。首先,当红外激光应用于材料表面时,由于其所需的光热转换效率,嵌入的光热液态金属纳米粒子(LM-NPs)通过等离子体共振以有效的方式产生热量。然后热量迅速向外传递到凝胶基质,导致热敏聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)凝胶复合材料的极性显着降低。由于整个体系显着的极性转变,凝胶基质中带有芳香羧酸基团的RB分子的荧光强度表现出显着改善。没有有效界面设计的MBA交联PNIPAM水凝胶断裂伸长率为≈17%,而LM-NPs的高弹性和强界面相互作用赋予水凝胶复合材料高达≈640%断裂伸长率图2)。

图1多级响应材料的设计

图2多级响应材料的性能表征

材料的多阶段响应机制

为了更好地证明所获得的多级响应水凝胶的响应机制,作者进行了详细的表征(图3)。首先,基于镓-铟共晶合金(EGaIn)的LM-NPs通过超声波处理被很好地分散并原位共聚成微球,微球可以通过与光(NIR 808 nm)的等离子体共振以有效的方式产生热量。由于LM-NPs的高转换效率,水凝胶可以在1秒内从24.5°C加热到较低的临界溶液温度(LCST,在26.5°C左右)。LM-NPs表现出所需的光热转换效率(48.25%),有利于高效轻书写同时避免过高的温度(<30 °C)。此外,在去除近红外刺激后,书写区域的温度会迅速降低,表明所获得的水凝胶具有所需的自擦除能力。分散良好的LM-NPs和低LCST的极性转换相结合,赋予获得的材料所需的光写入能力,而引入的极性相关荧光响应RB分子使写入模式明亮且易于识别。

图3材料的多阶段响应机制

材料的非接触、实时、可逆的光写行为

多级响应材料具有光书写能力和易于识别的模式(图4)。同一样本上的手写阿拉伯数字可以很容易地识别和改写。所选荧光分子的荧光响应能力在实现可视化实时非接触书写中起着重要作用。组织良好的多级响应行为,尤其是显着的极性相关荧光响应,使该材料成为理想的实时非接触式书写材料。对于写入区域,去除激光后该区域的温度迅速降低,写入图案在20秒内消失。样品可以重写5000次以上,甚至在经过干燥-膨胀过程后,性能没有显着变化,书写模式可以很好地进行视觉辨别。通过收集不同写入次数后多级响应材料的色度坐标,书写区域和背景表现出显着的对比,而不同重写次数的色度坐标方差<0.0008。结果表明,所获得的材料具有理想的重写能力,而没有可检测到的永久性损坏(图5)。这种实时、可逆、可持续的光写材料在非接触式智能控制方面显示出巨大的潜力,通过减少电子一次性用品,极大地造福于未来可持续的物联网生活方式。

图4多级响应材料的非接触式书写

图5多级响应材料的可逆光书写行为

小结:作者基于精心设计的结构和有组织的多阶段响应行为,提出了一种创新的实时、可逆和可持续的光书写材料。得益于良好控制的界面超分子互连和核壳纳米结构设计,几种可逆刺激响应行为的准确传递赋予材料显着的实时光写入能力、明亮的书写模式和所需的自擦除性能。此外,该材料表现出优异的重写能力,而没有可检测到的损坏。这项工作为实时、可逆和可持续的光书写提供了多级响应材料的宝贵示例。

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106673

来源:高分子科学前沿

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