磁/温响应性Fe3O4@PNIPAM柔性光子纳米链的构筑与性能研究

摘要

基于长程排斥力和磁相互吸引力间的平衡构筑的一维磁响应性光子晶体具有外场施加方便、响应速度快、光子带隙连续可调、全可见光谱可逆变色等特性，有望应用在磁控显示、可擦写光子纸/墨水等领域。但其一维链状光子结构不能被固定，随着磁场的撤去而消失。光子纳米链是能够独立稳定存在的最小光子晶体结构单元，表现出更高的磁敏感性和对光的调制分辨率，在节能显示和布拉格反射器等方面有着潜在的应用前景。然而，已有的光子纳米链为非响应性成分包覆连接一维链状光子结构而形成的刚性光子纳米链结构，在磁场中只表现出开-关效应，而不具有外场对光子带隙的调控作用。本论文创新性地在链状光子结构中引入温度响应性水凝胶PNIPAM，制备磁/温响应性Fe3O4@PNIPAM柔性光子纳米链，研究柔性光子链在磁场下的取向机理以及在磁、温外场下的光学响应性。论文的主要工作如下：
　　(1)采用磁控组装与紫外光聚合相结合的方法制备了Fe3O4@PNIPAM光子纳米链，阐明了其制备与结构调控原理。观察微观形貌发现光子链通过PNIPAM对Fe3O4@PVP CNCs形成“脖颈”连接，无外加磁场作用下链呈自然弯曲状态，为柔性链。成链机理分析表明：PAA与聚合单体NIPAM、磁性组装基元CNCs表面PVP间的氢键作用是实现NIPAM在CNCs表面富集、经紫外光引发聚合对CNCs形成的周期性结构进行包覆连接形成光子链的关键。外加磁场强度、磁场诱导取向时间和前驱液中水醇比的改变能够对光子链的粒子间距、链长和光子链的包覆形貌进行调控。
　　(2)Fe3O4@PNIPAM柔性光子纳米链的磁取向过程以及磁响应性能研究发现：柔性光子纳米链在外加磁场下的取向过程包括低磁场作用下链沿磁场方向的偏转取向和高磁场作用下链沿磁场的伸展取向。取向过程中，衍射峰的峰位保持基本不变，峰强随外加磁场强度的增加而增强，衍射光的亮度逐渐提高，实验结果与物理模拟结果基本一致。PNIPAM交联度、粒子间距以及链长对光子纳米链磁响应性能的影响研究发现随着光子链长度和柔性的增加，在较高磁场范围内光子链的衍射峰强对磁场的依赖性增加。
　　(3)Fe3O4@PNIPAM光子纳米链在8~40℃范围内表现出优异的温度响应性，衍射峰位移动范围几乎覆盖整个可见光谱；光子链表现出对温度场的快速响应性，当外场温度从8℃升高到40℃时，2s即可从红到绿变色；循环实验测试结果表明光子链的温度响应性具有良好的重复稳定性。
　　（4）Fe3O4@PNIPAM光子纳米链具有磁/温双响应性，磁场对衍射峰峰强的调控与温度对光子带隙的调控相结合使其表现出良好的光学伪装特性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 响应性光子晶体简介

1.1.1 光子晶体理论基础

1.1.2 响应性光子晶体

1.2 一维磁性光子晶体

1.2.1 一维磁响应性光子晶体

1.2.2 聚合物基一维磁性光子晶体

1.2.3 一维磁性光子纳米链

1.3 温度响应性光子晶体

1.3.1 聚合物膨胀收缩型

1.3.2 无机材料相转变型

1.4 课题的研究目的意义及内容

第二章 Fe3O4@PNIPAM柔性光子纳米链的构筑与结构调

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂及仪器设备

2.2.2 Fe3O4@PVP胶体纳米晶簇粒子的制备

2.2.3 Fe3O4@PNIPAM柔性光子纳米链的制备

2.2.4 样品的测试与表征

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 Fe3O4@PNIPAM柔性光子纳米链的表征

2.3.2 Fe3O4@PNIPAM柔性光子纳米链的构筑原理

2.3.3光子纳米链的结构调控

2.4 本章小结

第三章 Fe3O4@PNIPAM柔性光子纳米链的磁/温响应性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂及仪器设备

3.2.2 Fe3O4@SiO2刚性光子纳米链的制备

3.2.3 Fe3O4@PNIPAM柔性光子纳米链典型样品的制备

3.2.4 样品的测试与表征

3.3 Fe3O4@PNIPAM柔性光子纳米链的磁性能表征

3.4 Fe3O4@PNIPAM柔性光子纳米链的磁响应性能研究

3.4.1柔性光子纳米链的磁响应光学性能

3.4.2柔性光子纳米链的磁取向行为

3.4.3柔性光子纳米链的磁取向机理分析

3.4.4柔性光子纳米链的取向过程模拟

3.4.5柔性光子纳米链的磁响应光学性能调控

3.5 Fe3O4@PNIPAM光子纳米链的温度响应性能研究

3.5.1光子纳米链的温度响应性能研究

3.5.2 PNIPAM交联度对光子纳米链的温度响应性的影响

3.5.3光子纳米链的温度响应可逆性研究

3.6 Fe3O4@PNIPAM柔性光子纳米链的磁温双响应性能研究

3.7 本章小结

第四章 结 论

致谢

参考文献

硕士期间已发表和待发表的科研成果