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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
熱可逆物理凝膠光子晶體及其衍生傳感器
小類(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)介：
光子晶體作為一種特殊的材料有著廣泛的應(yīng)用，特別是水凝膠構(gòu)筑的光子晶體材料在傳感器、激光器及仿生材料等方面應(yīng)用普遍。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于使用輔助增塑溶劑及物理控制凝膠化，制備固定化光子晶體陣列的凝膠光子晶體材料。所得材料因其優(yōu)良的物理性能適合進(jìn)一步改性修飾，作為傳感材料應(yīng)用。
詳細(xì)介紹：
光子晶體是一種由具有不同折射率的材料在空間交替排列構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)。當(dāng)光波在周期勢(shì)場(chǎng)中傳播時(shí)，由于受到布拉格散射會(huì)形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能存在帶隙。光波的能量落在帶隙中，傳播是禁止的，光子晶體的特征就是具有光子帶隙，并且通過(guò)對(duì)光子帶隙控制和調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)光的操控，在光電子學(xué)領(lǐng)域具有廣范圍應(yīng)用。 在光子晶體的諸多應(yīng)用中，由水凝膠構(gòu)筑的光子晶體材料可以通過(guò)凝膠體積的脹縮改變內(nèi)部光子晶體陣列的晶格間距，從而改變材料的光子帶隙位置，因此這種光學(xué)器件可以應(yīng)用于傳感器、激光器及仿生材料等。 美國(guó)專(zhuān)利US 6,544,800公開(kāi)了一種聚合的膠體晶陣列光子晶體。它是由單分散的膠體微球，如聚苯乙烯、二氧化硅等，依靠靜電斥力在溶液中自組裝成為具有三維周期性結(jié)構(gòu)的膠體晶體陣列，而后用化學(xué)聚合的方法制備成水凝膠光子晶體。利用化學(xué)修飾的水凝膠受環(huán)境刺激產(chǎn)生不同的脹縮特性，用于化學(xué)傳感。然而，這種光子晶體必須依靠紫外輻照引發(fā)單體或低聚物聚合，由于光子晶體陣列會(huì)受到雜離子的影響，因此所選單體或低聚物必須為非離子型材料。 采用物理交聯(lián)的水凝膠作為光子晶體陣列的載體（S. A. Asher et al, Chem. Mater. 2008, 20, 7501），可以避免紫外輻照的污染，制備工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需光聚合中的精密石英器皿，甚至能夠在金屬和塑料等不透明模具中制備。但是，此方法獲得的凝膠光子晶體強(qiáng)度仍然不夠理想。 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提供一種熱致可逆的物理凝膠光子晶體材料及其制備方法。其特征在于以聚乙烯醇作為凝膠基體材料，通過(guò)添加輔助增塑溶劑及物理控制凝膠化，制備固定化光子晶體陣列的凝膠光子晶體材料。該方法制備的凝膠光子晶體材料較傳統(tǒng)凝膠光子晶體強(qiáng)度更高，可以根據(jù)溫度、pH值、拉伸應(yīng)力等參數(shù)的變化改變其晶格常數(shù)、折射率等結(jié)構(gòu)參數(shù)。即通過(guò)凝膠的脹縮，可以改變體系內(nèi)光子晶體陣列的帶隙位置，從而產(chǎn)生材料宏觀顏色的變化。此外，物理凝膠化的光子晶體材料另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于其熱致可逆性，可實(shí)現(xiàn)材料的重復(fù)制備及反復(fù)利用。

作品圖片

  • 熱可逆物理凝膠光子晶體及其衍生傳感器
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作品專(zhuān)業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

光子晶體作為一種特殊的材料有著廣泛的應(yīng)用，特別是水凝膠構(gòu)筑的光子晶體材料在傳感器、激光器及仿生材料等方面應(yīng)用普遍。本發(fā)明的基本思路是采用物理交聯(lián)的水凝膠作為光子晶體陣列的載體，選用輔助溶劑使體系的冰點(diǎn)下降到凝膠化的溫度以下，從而獲得性能更好的凝膠光子晶體材料。 本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于使用輔助增塑溶劑及物理控制凝膠化，制備固定化光子晶體陣列的凝膠光子晶體材料。技術(shù)關(guān)鍵在于輔助溶劑的選擇及其用量，從而獲得強(qiáng)度更高、衍射性能更加優(yōu)良的光子晶體材料，所得材料因其優(yōu)良的物理性能適合進(jìn)一步改性修飾，作為傳感材料應(yīng)用。制備的物理凝膠光子晶體材料相對(duì)于光聚合的凝膠光子晶體材料有著突出的優(yōu)勢(shì)：（1）凝膠機(jī)械強(qiáng)度高，可抵抗環(huán)境擾動(dòng)對(duì)材料產(chǎn)生的破壞以及對(duì)傳感產(chǎn)生的影響，良好的機(jī)械性能亦為光子晶體材料的化學(xué)修飾提供保證；（2）具有熱可逆性能，不僅可以達(dá)到重復(fù)制備、循環(huán)利用的目的，同時(shí)能突破PCCA只能以非離子型材料為單體的瓶頸，以GCCA為基體，將所選離子型單體在基體中進(jìn)行二次聚合，最后利用熱可逆性能去除基體，從而得到離子型PCCA；（3）物理凝膠化條件簡(jiǎn)單易控，反應(yīng)可在不透光模具中進(jìn)行，且GCCA可以制備成任意尺寸及幾何形狀以適合于所需使用環(huán)境?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，用本發(fā)明中訴述的方法制備的物理凝膠光子晶體材料強(qiáng)度更高，制備簡(jiǎn)單，可以大面積應(yīng)用，應(yīng)用前景更好，為可視化檢測(cè)如應(yīng)力應(yīng)變、溫度、pH值、溶劑、金屬離子等外界參數(shù)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單且高效的方法。

科學(xué)性、先進(jìn)性

本發(fā)明提供了一種熱致可逆的物理凝膠光子晶體材料及其衍生傳感器的制備方法。既以聚乙烯醇作為凝膠基體材料，通過(guò)添加輔助增塑溶劑及物理控制凝膠化，制備固定化光子晶體陣列的凝膠光子晶體材料。與現(xiàn)有的聚合凝膠光子晶體材料相比，本方法可以避免紫外輻照的污染，制備工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需光聚合中的精密石英器皿，甚至能夠在金屬和塑料等不透明模具中制備。制備的凝膠光子晶體材料較傳統(tǒng)凝膠光子晶體強(qiáng)度更高，同時(shí)，可以根據(jù)溫度、pH值、拉伸應(yīng)力等參數(shù)的變化改變其晶格常數(shù)、折射率等結(jié)構(gòu)參數(shù)。即通過(guò)凝膠的脹縮，可以改變體系內(nèi)光子晶體陣列的帶隙位置，從而產(chǎn)生材料宏觀顏色的變化。此外，物理凝膠化的光子晶體材料另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于其熱致可逆性，可實(shí)現(xiàn)材料的重復(fù)制備及反復(fù)利用。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

于2011年4月在華東理工大學(xué)華東理工大學(xué)第九屆“奮進(jìn)杯”二等獎(jiǎng)

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

專(zhuān)利公開(kāi)

作品可展示的形式

現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、樣品

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

本發(fā)明中在制備物理凝膠光子晶體（GCCA）薄膜材料中，研究中發(fā)現(xiàn)，在使用甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、二甲基亞砜中的一種或幾種的混合體作為輔助溶劑，并且用量保持在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-25%時(shí)，制備的物理凝膠光子晶體材料相對(duì)于光聚合的凝膠光子晶體材料有著突出的優(yōu)勢(shì)：（1）凝膠機(jī)械強(qiáng)度高，可抵抗環(huán)境擾動(dòng)對(duì)材料產(chǎn)生的破壞以及對(duì)傳感產(chǎn)生的影響，良好的機(jī)械性能亦為光子晶體材料的化學(xué)修飾提供保證；（2）具有熱可逆性能，不僅可以達(dá)到重復(fù)制備、循環(huán)利用的目的，同時(shí)能突破PCCA只能以非離子型材料為單體的瓶頸，以GCCA為基體，將所選離子型單體在基體中進(jìn)行二次聚合，最后利用熱可逆性能去除基體，從而得到離子型PCCA總結(jié)來(lái)說(shuō)，用本發(fā)明中訴述的方法制備的物理凝膠光子晶體材料強(qiáng)度更高，制備簡(jiǎn)單，可以大面積應(yīng)用，應(yīng)用前景更好，為可視化檢測(cè)如應(yīng)力應(yīng)變、溫度、pH值、溶劑、金屬離子等外界參數(shù)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單且高效的方法。

同類(lèi)課題研究水平概述

光子晶體是一種由具有不同折射率的材料在空間交替排列構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)。當(dāng)光波在周期勢(shì)場(chǎng)中傳播時(shí)，由于受到布拉格散射會(huì)形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能存在帶隙。光波的能量落在帶隙中，傳播是禁止的，光子晶體的特征就是具有光子帶隙，并且通過(guò)對(duì)光子帶隙控制和調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)光的操控，在光電子學(xué)領(lǐng)域具有廣范圍應(yīng)用。 在光子晶體的諸多應(yīng)用中，由水凝膠構(gòu)筑的光子晶體材料可以通過(guò)凝膠體積的脹縮改變內(nèi)部光子晶體陣列的晶格間距，從而改變材料的光子帶隙位置，因此這種光學(xué)器件可以應(yīng)用于傳感器、激光器及仿生材料等。 美國(guó)專(zhuān)利US 6,544,800公開(kāi)了一種聚合的膠體晶陣列光子晶體。它是由單分散的膠體微球，如聚苯乙烯、二氧化硅等，依靠靜電斥力在溶液中自組裝成為具有三維周期性結(jié)構(gòu)的膠體晶體陣列，而后用化學(xué)聚合的方法制備成水凝膠光子晶體。利用化學(xué)修飾的水凝膠受環(huán)境刺激產(chǎn)生不同的脹縮特性，用于化學(xué)傳感。然而，這種光子晶體必須依靠紫外輻照引發(fā)單體或低聚物聚合，由于光子晶體陣列會(huì)受到雜離子的影響，因此所選單體或低聚物必須為非離子型材料。 采用物理交聯(lián)的水凝膠作為光子晶體陣列的載體（S. A. Asher et al, Chem. Mater. 2008, 20, 7501），可以避免紫外輻照的污染，制備工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需光聚合中的精密石英器皿，甚至能夠在金屬和塑料等不透明模具中制備。但是，此方法獲得的凝膠光子晶體強(qiáng)度仍然不夠理想。 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提供一種熱致可逆的物理凝膠光子晶體材料及其制備方法。其特征在于以聚乙烯醇作為凝膠基體材料，通過(guò)添加輔助增塑溶劑及物理控制凝膠化，制備固定化光子晶體陣列的凝膠光子晶體材料。該方法制備的凝膠光子晶體材料較傳統(tǒng)凝膠光子晶體強(qiáng)度更高，可以根據(jù)溫度、pH值、拉伸應(yīng)力等參數(shù)的變化改變其晶格常數(shù)、折射率等結(jié)構(gòu)參數(shù)。即通過(guò)凝膠的脹縮，可以改變體系內(nèi)光子晶體陣列的帶隙位置，從而產(chǎn)生材料宏觀顏色的變化。此外，物理凝膠化的光子晶體材料另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于其熱致可逆性，可實(shí)現(xiàn)材料的重復(fù)制備及反復(fù)利用。
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