一种结构色及浸润性双调控的光子晶体薄膜及其制备方法

摘要

本发明公开了一种结构色及浸润性双调控的光子晶体薄膜及其制备方法，所述光子晶体薄膜包括：反蛋白石型聚合物光子晶体薄膜和液体涂层，反蛋白石型聚合物光子晶体薄膜是将聚合物前躯体溶液均匀渗入蛋白石型光子晶体的孔隙中，聚合并除去蛋白石型光子晶体结构得到的，具有鲜亮的结构色；选用液体浸润所述聚合物光子晶体薄膜，并在其表面形成液体涂层；光子晶体薄膜的结构色及浸润性可以人为调控。本发明将浸润液体的光子晶体的结构色与其光滑的表面性能结合起来，使人工制备的三维反蛋白石型光子晶体薄膜成功地具有鲜亮的结构色和可控的浸润性能，填补了人为调控光子晶体薄膜的颜色和浸润性工作的空白，实现了良好的机械性能和光学性能的完美结合。

说明书

技术领域

本发明涉及光子晶体制备技术领域，特别是涉及一种结构色及浸润性双调控的光子晶体薄膜及其制备方法。

背景技术

自然界中的生命具有亿万年的进化历史，向自然学习是新材料发展的永恒主题。从生物中获得启发，实现宏观和微观的统一，模拟生物体某一个方面的特异性功能，实现新材料的设计和制备，是向自然学习的新理念。

拉力调控仿生光滑光子晶体结构薄膜，类似于聚集在一起覆盖我们眼睛的眼泪，当它被拉伸时就会改变性能。拉伸操作导致光子晶体结构纳米孔洞变大或者变小，因而导致连续的液面发生变形，即当拉伸拉力调控仿生光滑光子晶体结构薄膜时，其结构色会发生改变而且表面粗糙。这两种特征只是通过拉伸就能够被快速、完美的操控。

三维反蛋白石型光子晶体薄膜是由层状有序的空洞结构构成的，这种三维反蛋白石型光子晶体结构在自然界中存在，也可以通过复制蛋白石型光子晶体模版得到。存在于自然界中的三维反蛋白石型光子晶体结构通常都具有鲜亮的结构色，但是，由于受到浸润性调控的局限，人工制备反蛋白石型光子晶体结构受到了限制。目前，同时进行人为调控光子晶体薄膜的颜色和浸润性的工作仍然是空白。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种结构色及浸润性双调控的光子晶体薄膜及其制备方法，能够使三维反蛋白石型光子晶体薄膜同时具备鲜亮的结构色和良好的浸润性，且其结构色和浸润性可以人为调控。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种结构色及浸润性双调控的光子晶体薄膜，包括：反蛋白石型聚合物光子晶体薄膜和液体涂层；所述反蛋白石型聚合物光子晶体薄膜是将聚合物前躯体溶液均匀渗入蛋白石型光子晶体的孔隙中，聚合并除去蛋白石型光子晶体结构得到的；选用液体浸润所述聚合物光子晶体薄膜，在其表面形成所述液体涂层。

在本发明一个较佳实施例中，所述反蛋白石型聚合物光子晶体薄膜具有鲜亮的结构色；所述光子晶体薄膜的结构色及浸润性是可以人为调控的。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备权利要求1所述的结构色及浸润性双调控的光子晶体薄膜的方法，该制备方法具体步骤包括：

（1）制备蛋白石型光子晶体薄膜：选择直径为200～400nm的单分散性纳米粒子，按照三维蛋白石型光子晶体薄膜的制备方法，将所述纳米粒子制备成蛋白石型光子晶体薄膜；

（2）制备反蛋白石型光子晶体薄膜：将聚合物前躯体溶液均匀渗入步骤（1）中制备的蛋白石型光子晶体的孔隙中，聚合后，除去蛋白石型光子晶体结构，得到有序的反蛋白石型光子晶体薄膜；

（3）制备液体浸润的光子晶体薄膜：向步骤（2）中制备的反蛋白石型光子晶体薄膜表面滴加浸润液体，使其完全浸润，形成液体涂层，得到结构色及浸润性双调控光子晶体结构薄膜。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（1）中，所述单分散性纳米粒子为金属氧化物、无机盐、聚电解质、嵌段聚合物、共聚物、液晶材料、介孔纳米粒子、金和银中的至少一种。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（1）中，所述三维蛋白石型光子晶体薄膜的制备方法为竖直沉积法、刮膜法、旋转涂膜法、提拉法、气相沉积法和电沉积法中的至少一种。

在本发明一个较佳实施例中，所述蛋白石型光子晶体薄膜的厚度为400 nm～400 μm。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（2）中，所述聚合物前躯体溶液为甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、醋酸丁酸纤维素、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、全氟醚、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷和聚氨酯中的至少一种。

在本发明一个较佳实施例中，所述聚合物前躯体溶液的聚合方法为热聚合和紫外光聚合中的至少一种。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（2）中，除去蛋白石型光子晶体结构的方法为酸腐蚀、碱腐蚀和热烧除中的至少一种。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（3）中，浸润液体为硅油、乙醇和超纯水中的至少一种。

本发明的有益效果是：本发明基于向自然学习的新理念，在制备三维反蛋白石型光子晶体薄膜时，将浸润液体的光子晶体的结构色与其光滑的表面性能结合起来，使人工制备的三维反蛋白石型光子晶体薄膜成功地具有鲜亮的结构色和可控的浸润性能，填补了人为调控光子晶体薄膜的颜色和浸润性工作的空白，实现了良好的机械性能和光学性能的完美结合。

附图说明

图1是本发明一种结构色及浸润性双调控的光子晶体薄膜及其制备方法的光子晶体薄膜示意图；

附图中各部件的标记如下：1.反蛋白石型聚合物光子晶体薄膜，2.液体涂层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种结构色及浸润性双调控的光子晶体薄膜，包括：反蛋白石型聚合物光子晶体薄膜和液体涂层；所述反蛋白石型聚合物光子晶体薄膜是将聚合物前躯体溶液均匀渗入蛋白石型光子晶体的孔隙中，聚合并除去蛋白石型光子晶体结构得到的，具有鲜亮的结构色；选用液体浸润所述的聚合物光子晶体薄膜，在其表面形成所述液体涂层；所述光子晶体薄膜的结构色及浸润性是可以人为调控的。

所述蛋白石型光子晶体薄膜的组成纳米粒子为金属氧化物、无机盐、聚电解质、嵌段聚合物、共聚物、液晶材料、介孔纳米粒子、金和银中的至少一种。

所述蛋白石型光子晶体薄膜是按照三维蛋白石型光子晶体薄膜的制备方法进行制备的，其制备方法为竖直沉积法，刮膜法，旋转涂膜法，提拉法，气相沉积法和电沉积法中的至少一种。

所述聚合物前躯体溶液为甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、醋酸丁酸纤维素、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、全氟醚、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷及聚氨酯中的至少一种。

实施例1 

原料配方如下：

原料规格二氧化硅纳米粒子（SiO₂）300 nm聚二甲基硅氧烷（PDMS）0.9 g/mL氟化硅油（FC-70）100%

（1）制备蛋白石型光子晶体薄膜：

选择直径为300nm的单分散性较好的SiO₂纳米粒子作为制备蛋白石型光子晶体薄膜的材料，通过竖直沉积法制备得到三维蛋白石型光子晶体薄膜。

（2）制备反蛋白石型光子晶体薄膜：

将PDMS前躯体溶液均匀的渗入蛋白石型光子晶体的孔隙中，热引发聚合后，除去蛋白石型光子晶体结构，得到有序的反蛋白石型光子晶体薄膜。

（3）制备液体浸润的光子晶体薄膜：

向反蛋白石型光子晶体薄膜表面滴加氟化硅油（FC-70）液体，使其完全浸润，形成液体涂层，得到结构色及浸润性双调控光子晶体结构薄膜。

实施例2

原料配方如下：

原料规格聚苯乙烯纳米粒子（PS）260nm聚二甲基硅氧烷（PDMS）0.9g/mL氟化硅油（FC-70）100%

（1）蛋白石型光子晶体薄膜的制备：

选择直径为260nm的单分散性较好的PS纳米粒子作为制备蛋白石型光子晶体薄膜的材料，通过竖直沉积法制备得到三维蛋白石型光子晶体薄膜。

（2）反蛋白石型光子晶体薄膜的制备：

将PDMS前躯体溶液均匀的渗入蛋白石型光子晶体的孔隙中，热引发聚合后，除去蛋白石型光子晶体结构，得到有序的反蛋白石型光子晶体薄膜。

（3）液体浸润的光子晶体薄膜的制备：

向反蛋白石型光子晶体薄膜表面滴加氟化硅油（FC-70）液体，使其完全浸润，形成液体涂层，得到结构色及浸润性双调控光子晶体结构薄膜。

实施例3

原料配方如下：

原料规格二氧化硅纳米粒子（SiO₂）250nm甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）0.9g/mL氟化硅油（FC-43）100%

（1）蛋白石型光子晶体薄膜的制备：

选择直径为250nm的单分散性较好的SiO₂纳米粒子作为制备蛋白石型光子晶体薄膜的材料，通过刮膜法制备得到三维蛋白石型光子晶体薄膜。

（2）反蛋白石型光子晶体薄膜的制备：

将HEMA前躯体溶液均匀的渗入蛋白石型光子晶体的孔隙中，紫外光引发聚合后，除去蛋白石型光子晶体结构，得到有序的反蛋白石型光子晶体薄膜。

（3）液体浸润的光子晶体薄膜的制备：

向反蛋白石型光子晶体薄膜表面滴加氟化硅油（FC-43）液体，使其完全浸润，形成液体涂层，得到结构色及浸润性双调控光子晶体结构薄膜。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。