Page 74 - 《精细化工》2021年第4期

·708· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷

个、两个或三个方向具有周期性折射率的纳米结构。 热致变色光子晶体除了 1D 层状结构，还有 3D
由于构建多维光子晶体纳米结构的技术难度较大， 胶体晶体阵列结构。2003 年，TAKEOKA 等 [67] 使用
所以至今研究较多的是一维光子晶体。 最密堆积的二氧化硅胶体晶体作为模板，将 N-异丙
基丙烯酰胺溶液渗入该胶体晶体中，聚合后再除去
二氧化硅，得到了具有蛋白石结构的智能多孔水凝
胶。二氧化硅胶体晶体的晶格间距决定该胶体晶体
可产生衍射的波长，使得该多孔水凝胶在白光照射
下可以显示出明亮的结构色。而随着温度变化，凝

图 11 一维光子晶体热致变色机理 胶发生可逆的收缩或膨胀，多孔凝胶微小的体积变
Fig. 11 Thermochromic mechanism of one-dimensional 化就能引起胶体晶体的颜色变化，因此，该水凝胶
photonic crystals 表现出灵敏的热致变色现象。

常用的获得一维热致变色光子晶体的方法是交 由光子晶体的变色机理可知，热响应性水凝胶
替涂覆热响应和非热响应材料，温度变化会引起热 体积受相转变温度即 LCST 的限制，光子晶体的颜
响应层厚度的变化，从而导致光学性质发生变化。2013 色变化范围也被限制在 LCST 附近，远低于/高于 LCST
年，YUE 等 [66] 使用聚丙烯酰胺和聚丙烯酸的混合体 时，凝胶的体积变化微小，不会显示颜色变化，使
（23）作为热响应的软层，表面活性剂（十二烷基 其只能在较小的温度范围应用。2017 年，KYE 等 [68]
甘油衣康酸酯）（24）作为厚度不变的硬层，交替组 使用具有不同 LCST 的 4-丙烯酰吗啉（ACMO）和
装得到高韧性的一维层状光子晶体。在温度（T）刺 N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）作为热响应单元，以
激下，由于软层中氢键的可逆缔合，软层层厚发生 甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）作为水凝胶结构单元，与
变化，使得光子晶体在 5~40 ℃之间具有明显的由蓝 N,N'-亚甲基双(丙烯酰胺)（MBAA）混合后在蛋白
到红可逆颜色变化（图 12a）。另外，pH、应力等刺 石模板上交联制备热致变色光子晶体 25。通过调节
激也可以诱导软层层厚变化，使得该材料具有多重 热响应单元 ACMO 和 NIPAM 的混合比，得到的三维
刺激响应特性（图 12b）。 光子晶体在 10~80 ℃范围内可连续变色，温度升高

其颜色由橘红色逐渐转变为蓝色，降温后可恢复原色。
1.5 液晶聚合物
液晶聚合物（LCPs）和小分子液晶化合物一样，
会形成各种介于无序液态和有序晶态之间的中间
相。因此，LCPs 既具有液晶的各向异性特征，又具
有聚合物优良的机械性能，在高强度高模量纤维、传
感器、工程塑料、信息存储和非线性光学材料等领
域有着重要应用 [69] 。根据聚合物中液晶单元的位置，
LCPs 可以分为主链液晶聚合物（MCLCPs）和侧链
液晶聚合物（SCLCPs） [70] 。在 SCLCPs 中聚合物主
链的运动必然会干扰到侧基液晶单元的自组装，在

聚合物主链与液晶单元之间引入柔性链，主链和液
晶单元之间的运动可以相对独立，使得液晶聚合物
能够形成各种液晶中间相。1978 年，FINKELMANN
等 [71] 利用这种模型首次制备出了热致变色的胆甾相
液晶聚合物。
胆甾相液晶聚合物（CLCPs）的螺距（p）对其
光学性能有较大影响，当螺距与可见光的波长匹配

图 12 基于 23/24 的一维光子晶体热致变色响应（a）及 时，CLCPs 会选择性地反射该波长的可见光，从而
多重刺激颜色响应（b） [66] 表现出相应的颜色，而且 CLCPs 的螺距对温度非常
Fig. 12 Photos of one-dimensional photonic crystal based 敏感，温度下降，螺距长度增加，液晶的反射波长
on 23/24 with thermochromic response (a) and multiple
stimulation response (b) [66] 红移，颜色依次由紫到红；温度升高，又按相反的