颜色在信息存储及显隐方面扮演着重要角色，自然界中的变色龙、孔雀、蝴蝶等生物可以利用自身的颜色及颜色变化进行信息交流、伪装、防御天敌等。为满足现代社会生活中自适应伪装、安全防伪、智能织物、实时传感、智能显色、节能建筑材料等领域对变色材料的广泛需求，科研工作者受到大自然变色生物的启发，开发了一系列在光、电场、磁场、温度、湿度、压力、化学试剂等刺激下的变色材料。然而，受颜色调控方法和原理的限制，已发展的变色材料很难单独调控颜色的亮度、色度或饱和度，这严重阻碍了其应用范围的扩大。
结构色产生于光与物质的相互作用，包括干涉、衍射、散射等，具有环保、节能、抗褪色等优势，是未来社会发展中重要的颜色材料。具有周期性结构的光子晶体是一种典型的结构色材料，当光子晶体的光子禁带位于可见光区域时，其衍射峰位、衍射峰强、衍射峰半高峰宽与颜色三要素中的色度、亮度、饱和度相对应。以响应性材料为光子晶体组装基元或将光子晶体组装基元与响应性材料结合可以制备得到响应性光子晶体材料。磁响应性光子晶体材料因其组装过程简单、响应快速可逆、颜色亮丽而备受关注，但不能实现对颜色单个要素的独立调控。
近期，武汉理工大学官建国教授课题组与加州大学河滨分校殷亚东教授课题组合作，在双响应Fe3O4@PVP@PNIPAM柔性磁性光子晶体纳米链的水分散液中实现了结构色亮度及色度的独立、连续、可逆调控，该结果可望开启新一代响应性变色材料的研制，加深对颜色调控机理的理解。所得的响应性变色液体由于颜色调控灵活、简单并且易于成型，在全色显示及自适应伪装等领域具有重要潜在应用。该工作以题为“Dual Responsive Photonic Liquid for IndependentModulation of Color Brightness and Hue”的论文发表在最新一期《Materials Horizons》上。刘云博士生为论文第一作者，马会茹副教授、殷亚东教授、官建国教授为论文共同通讯作者。
图1磁场和温度响应性光子晶体液体及其颜色亮度和色度的独立调控示意图
【Fe3O4@PVP@PNIPAM柔性磁性光子晶体纳米链的制备及组成与微结构】
该工作采用溶剂热法制备了单分散、超顺磁Fe3O4@PVP胶体纳米晶簇，以所得胶体纳米晶簇为组装基元，PAA为桥联剂，NIPAM为聚合单体，采用氢键诱导模板聚合的方法制备了以Fe3O4@PVP胶体纳米晶簇为内核，PNIPAM为聚合物壳层的豆荚状一维柔性磁性光子晶体纳米链。
图2 Fe3O4@PVP@PNIPAM柔性磁性光子晶体纳米链的制备流程图及其纳微结构
【双响应性光子晶体液体的亮度及色度独立调控及其调控原理】
Fe3O4@PVP@PNIPAM柔性磁性光子晶体纳米链水分散液具有磁场和温度响应特性，通过单独改变外磁场强度或同时改变外磁场强度和温度，可分别实现结构色亮度和色度的独立、连续、可逆调控。当施加的外加磁场逐渐增强时，由于光子晶体纳米链的磁偶极相互作用逐渐克服其热运动，蠕虫状的柔性链沿磁场方向的取向链段长度逐渐增长直至整条链在磁场方向完全伸展，宏观上表现为仅有亮度（衍射强度）逐渐增加。当环境温度逐渐升高时，由于PNIPAM的体积收缩相变行为，分散液的衍射频率发生蓝移；此时配合外加磁场的大小调控，可以实现不改变颜色亮度的色度单独调控。
图3 Fe3O4@PVP@PNIPAM柔性磁性光子晶体纳米链水分散液的磁场及温度响应性能
图4 柔性磁性光子晶体链在不同磁场强度及不同取向时间下的光学性能及柔性链形态
图5 柔性磁性光子晶体链在不同磁场强度下取向示意图及不同形态柔性链在不同磁场强度下沿磁场方向取向的概率分布图
图6柔性磁性光子晶体纳米链链长及交联度对其磁场响应及温度响应性能的影响
总结：该工作在双响应性Fe3O4@PVP@PNIPAM柔性磁性光子晶体纳米链的水分散液中实现了结构色亮度及色度的独立、连续、可逆调控。由于Fe3O4@PVP胶体纳米晶簇的超顺磁性、PNIPAM的柔性及较大的链长，当施加的外磁场强度逐渐增加时，Fe3O4@PVP@PNIPAM柔性磁性光子晶体纳米链的磁偶极相互作用逐渐增强并克服其热运动，柔性链沿磁场方向逐渐取向并最终完全伸展，衍射峰强度及结构色亮度逐渐增加。由于PNIPAM具有温度响应的体积相变行为，分散液的色度可以通过调节环境温度进行调控。此外，通过调节柔性链制备过程中磁场强度、胶体粒子浓度等参数可以得到具有不同初始颜色的柔性磁性光子晶体纳米链，进一步丰富了所得光子晶体水分散液的颜色多样性。所得磁性光子晶体液体有望实现目标颜色的精确控制，在自适应伪装、显示等领域具有重要潜在应用。同时，该工作丰富了对对颜色调控机理的理解，可望引领新一代响应性变色材料的研制。
https://doi.org/10.1039/D1MH00556A
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