變色龍、蝴蝶、蛋白石的鮮艷顏色都來源于光子晶體（PCs）納米結(jié)構(gòu)。在光子晶體中，介電常數(shù)（折射率）隨接近光波（約數(shù)百納米）的空間周期而變化，從而產(chǎn)生光子帶隙，即特定波長的光的相長反射。高支化、超高分子量嵌段共聚物（BCPs）含有共價連接但化學不相容的均聚物鏈段，被廣泛應用于制備具有5-100nm 疇d間距的有序納米材料。一般來說，鏈纏結(jié)和合成挑戰(zhàn)阻礙了線性BCPs組裝成更大的疇間距（>100nm），這是得到可見光譜反射所必需的。另外，長程有序化可能需要延長溶劑或熱退火（約1周）。
最近，伊利諾伊大學香檳分校的Ying Diao教授在《Science Advances》上發(fā)表了題為“Tunable structural color of bottlebrush block copolymers through direct-write 3D printing from solution”的文章，將非平衡自組裝與直寫3D打印技術(shù)結(jié)合，制備了結(jié)構(gòu)色可調(diào)的瓶刷嵌段共聚物光子晶體。在打印單一油墨溶液時，改變沉積條件后，BBCP PC的峰值反射波長跨度為403到626 nm(藍到紅)，對應于>70 nm 疇間距變化(Bragg- Snell方程)。這是由于聚合物構(gòu)象的調(diào)制，導致了層狀疇間距的變化。
Ying Diao教授認為，在用于生產(chǎn)環(huán)保涂料和高選擇性光學濾光片等產(chǎn)品的聚合物中重現(xiàn)結(jié)構(gòu)色是一項挑戰(zhàn)。聚合物合成和加工需要精確控制，才能形成超薄有序的層，產(chǎn)生我們在自然界中看到的結(jié)構(gòu)色。他們成功開發(fā)了瓶刷嵌段共聚物3D直寫打印的方法，使3D打印不僅可以改變材料形狀，還可以改變材料物理性質(zhì)。但是由于該方法不太適合大批量印刷，小組正在努力擴大這一工藝的工業(yè)相關(guān)性。他們正在與Damien Guironnet、Charles Sing和Simon Rogers小組合作，開發(fā)更容易控制的聚合物打印工藝，使我們與大自然產(chǎn)生的鮮艷色彩更接近。
圖文導讀
1. 瓶刷嵌段共聚物的合成
通過PDMS（Mn = 6200 g/mol; Mw/Mn = 1.05）和PLA（Mn = 5100 g/mol; Mw/Mn = 1.05）大分子單體的接枝聚合得到PDMS-b-PLA BBCP，其中PDMS和PLA各占50%的摩爾分數(shù)。合成的BBCP為粗糙白色粉末（圖1E），在-125.5°C和53.2°C下呈現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變。加入濃度為100 mg/ml的四氫呋喃（THF）后，BBCP很容易通過攪拌溶解，形成弱有序膠束相。溶液干燥形成微相分離的彩色薄膜，樣品內(nèi)部和樣品之間具有顯著的隨機顏色變化（圖1F）。
2. 瓶刷共聚物的直寫3D打印
他們選擇從溶液相沉積實現(xiàn)BBCP的3D打印，因為這為BCP相圖增加了一個額外的維度，而且在低溫下?lián)]發(fā)性溶劑可以顯著增強了分子的流動性，并為控制高度加速的組裝過程提供了一個關(guān)鍵的杠桿。三維打印可以通過改變打印速度、施加壓力和基底溫度來精確控制沉積薄膜的顏色。隨著打印速度的增加，反射波長出現(xiàn)非常明顯的藍移，而溫度的升高會導致明顯的紅移。通過3D打印高度的空間和功能控制可以沉積更復雜的圖案（圖2D和E）。圖2E的變色龍由不同顏色的PC打印而成，分三步打印，每一層在恒定的床溫下打印。
3. 結(jié)構(gòu)色變化機理
滴涂和打印得到的薄膜都是層狀形貌。但是滴涂的疇比打印的大得多，所以打印薄膜仍然是高缺陷的一維光子晶體。
3D打印薄膜顏色的變化主要歸因于疇尺寸的變化。50°C下，在15到180 mm/min的打印速度范圍內(nèi)，疇d間距在221到204 nm之間變化。70°C下，在15和30 mm/min的疇尺寸分別從50°C對應增加到229和226 nm，增加約10 nm。類似地，在25°C，15mm/min下打印的樣品具有204nm的疇間距，比在50°C下打印的樣品小20nm。
動力學捕獲是控制疇尺寸的機制。通過對打印薄膜的原位顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)隨打印速度的增加，干燥時間和組裝時間減少，滿足了動力學捕獲的一個關(guān)鍵要求。他們還使用溶劑蒸汽退火（SVA）來“弛豫”打印薄膜中BBCP的亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)象，不同速度打印的一系列樣品在溶劑去除前達到平衡，不同溶劑去除率的影響被消除，從而使d-間距相同，顏色變得相同。進一步證實了動力學捕獲是控制疇尺寸的機制。
亮點小結(jié)
總之，作者演示了一種瓶刷共聚物直寫3D打印用于制備結(jié)構(gòu)色薄膜的方法通過系統(tǒng)地改變打印速度和基材溫度，可以有計劃地改變薄膜顏色，從而在403到626 nm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整反射波長峰值。顏色變化來源于動力學捕獲控制的疇大小變化。BBCPs的分層結(jié)構(gòu)使其在包括光子學、表面活性劑和有機電子學在內(nèi)的各種領(lǐng)域中具有很大的適用性。
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