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撰稿| 由课题组供稿
导读
近日，复旦大学高分子系汪长春课题组和材料系胡新华课题组，在制备、表征和模拟结构色水凝胶隐形眼镜的合作研究中，取得重要进展。相关研究成果以《Transparent and UV Blocking Structural Colored Hydrogel for Contact Lenses》为题，发表在近期的《ACS Applied Materials & Interfaces》上（DOI: 10.1021/acsami.0c10763）。博士生沈秀清和杜佳远为共同第一作者，汪长春教授和胡新华教授为共同通讯作者。
研究团队运用一种增强剪切方法，成功地制备了一种透明的结构色水凝胶薄膜，它包含有100-200层聚苯乙烯（PS）小球的三维准周期结构。由于小球与基底的折射率差异较小，该结构具有很窄的光子禁带，该频段内的入射光可被结构完全反射。因此，这种水凝胶薄膜能产生鲜艳的结构色，这种结构色只占据很窄的频段，具有很高的纯度。并且，这种结构对于大部分可见光都很透明，因此其透射光基本无色。这些特点是普通彩色隐形眼镜（使用色素）所不具备的。
工作的另一个亮点，是紫外线防护。一般的太阳眼镜，镜片上镀有极薄的金属膜，它可以反射紫外线；或者在镜片中掺入紫外吸收剂来吸收紫外线。与之不同，该工作利用结构中的无序性来屏蔽紫外线，其原理与丁达尔现象有类似之处。
具体来说，多层小球的准周期结构存在一个截止波长，其大小与结构的周期长度相关。当入射光的波长小于截止波长时，光经过每一层小球阵列时都将被衍射，即有一部分透射光（即衍射光）将偏离原有方向。由于相邻层小球阵列不完全相同（即准周期结构的无序性），这些衍射光将不能返回到入射光的方向上。因此，当光经过一个100层以上的小球结构之后，只有微量的透射光留在原有的入射方向，从而造成一种赝吸收或者漫散射的现象。但是，如果入射光的波长大于截止波长时，晶格衍射不会发生，这种赝吸收现象也不会出现。
通过改变周期长度，可以将截止波长置于紫外波段和可见波段之间。因此，制备的准周期结构能够呈现出紫外黑色、可见透明的特点。
最后，对三维准周期结构的数值模拟，也是工作的一个创新点。无序结构的模拟，通常计算量较大，而且不能给出清晰的物理图像。这里，研究团队结合上述物理分析，发展了一个综合晶格衍射、赝吸收的传输矩阵方法，得到了与实验结果非常接近的透射光谱。这为设计和重复实验结果提供了强大的理论支撑。
图一 PS@有机玻璃@P（HEMA-co-EA）单分散核/壳微球的逐步聚合和表征。(a) 每一步合成后的微球结构示意图。透射电子显微镜图像：(b) 种子，(c) 聚苯乙烯（PS）微球，(d) 聚苯乙烯@聚甲基丙烯酸甲酯核，(e) 核/层间微球，(f)核/层间/壳微球。(g) 核/层间/壳微球的粒径分布。所有比例尺均为500纳米。
图二 正常剪切下制备的结构彩色水凝胶膜和隐形眼镜(NS-CLs)。(a) 制备PS@PMMA@P（HEMA-co-EA）/单体分散体。(b) 正常剪切下的制造程序示意图。(c) 隐形眼镜的正面和侧面的反射光谱，插图为照片。(d) 三种不同颜色隐形眼镜的透射光谱。(f) 红色隐形眼镜的横截面场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像和 (e) 内部和 (g) 表面区域的放大图像。比例尺为 (e, g) 1μm和 (f) 5μm。
图三 计算的反射和透射谱：（a，b）非晶态微球结构，（c，d）纯周期微球和（e，f）近周期微球阵列样品。（g） 纯周期样品的散射矩阵法。
图四 增强剪切下制备的结构彩色水凝胶膜和隐形眼镜(ES-CLs)。（a） 准备过程的示意图。（b） 红色、绿色和蓝色隐形眼镜的正视图和（c）侧视图，（d）反射光谱，（e）互补色照片，（f）透射光谱。（g，h）绿色隐形眼镜的横截面图像（FESEM）。（i）用PS@P(HEMA-co-EA)微球制作的隐形眼镜的透射谱。（b）、（c）和（e）中的比例尺均为0.5 cm。
图五 三款隐形眼镜（ES-CLs）的透射光谱。它们在紫外波段显示不同的结构色。
图六 通过细胞增殖实验和形态学观察验证细胞相容性。（a） 活3T3细胞的OD值和（b）在组织培养板（TCP）和不同隐形眼镜（红、绿、蓝）上培养的3T3细胞的共聚焦荧光图像。比例尺为200 μm。
文章链接
Xiuqing Shen, Jiayuan Du, Jiaxin Sun, Jia Guo, Xinhua Hu, and Changchun Wang, ACS Appl. Mater. Interfaces (2020). https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c10763
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