传统机械变色光子晶体（MPCs）因其力可调反射结构色而备受关注，这类材料通常需要三维非密堆积结构。绍兴文理学院杨东朋副教授与国科大杭州高等研究院黄少铭教授通过自组装 ZnS 颗粒形成单层多晶结构，再用弹性聚氨酯（PU）填充颗粒间隙，制备出一种具有单层密堆积结构、明亮彩虹散射结构色和非常规机械变色性能的新型 MPC。ZnS 颗粒与 PU 之间的高折射率差（Δn=0.44）使得正向散射光的衍射效率显著提升，从而实现了高饱和散射结构色。该 MPC 展现出独特的机械变色行为：沿拉伸方向颜色红移，垂直拉伸方向颜色蓝移，这一现象源于其晶体取向相关的变形机制。这项工作突破了传统 MPC 对三维非密堆积结构的依赖，深化了结构与光学性能关系的理解，为设计先进刺激响应光子材料提供新思路。
基于单层密堆积结构与高折射率差材料的协同作用： 通过水 - 气界面自组装技术制备单层 ZnS 胶体晶体，形成密堆积多晶结构，随后填充弹性聚氨酯（PU）。利用 ZnS（n=1.91）与 PU（n=1.47）之间的高折射率差（Δn=0.44），实现正向散射光的高效衍射，产生角度依赖的高饱和散射结构色；通过控制颗粒尺寸（440 nm）和晶格间距，满足布拉格衍射条件（mλ = d (sinα + sinβ)），实现宽色域调节。独特的多晶结构在拉伸时表现出取向依赖的晶格变形：沿应力方向晶格间距增大导致红移，垂直方向间距减小引发蓝移，结合 PU 的高弹性（断裂应变 > 60%），实现可逆双模态机械变色响应。
图1：传统机械变色光子晶体与本研究中的机械变色光子晶体的结构和光学性质示意图。
图2： 机械变色光子晶体（MPC）的表征。(A) MPC 的制备示意图；(B) 表面和截面扫描电子显微镜（SEM）图像；(C) X 射线衍射（XRD）图谱；(D) 散射光谱及对应的 MPC 照片；(E) 正向散射光的衍射示意图；(F) 计算和实验测得的 λ 随 β 的变化关系；(G) ZnS 和 ZnS/PU 薄膜的 λ 随 β 的变化关系。
图3： ZnS 和单层结构的影响。(A) 单层 ZnS/PU、单层二氧化硅 / PU、多层二氧化硅 / PU 和 ZnS/PU 多层机械变色光子晶体（MPCs）的结构示意图及对应的截面扫描电子显微镜（SEM）图像；(B) MPCs 的照片；(C) MPCs 的散射强度随 β 的变化关系；(D) MPCs 的透射率。
图4： 机械变色现象。(A) 沿拉伸方向观察时，机械变色光子晶体（MPC）拉伸引起的颜色变化示意图及对应的 (B) 照片和 (C) 散射光谱；(D) 垂直于拉伸方向观察时，MPC 拉伸引起的颜色变化示意图及对应的 (E) 照片和 (F) 散射光谱；(G−H) MPC 在原始状态和拉伸状态下的扫描电子显微镜（SEM）图像；(I) 散射波长随循环次数和应变的变化关系。
综上所述，本研究通过将硫化锌（ZnS）颗粒自组装成单层密堆积多晶结构，并填充聚氨酯（PU），成功制备了一种具有明亮机械变色散射结构色的新型 ZnS/PU 机械变色光子晶体（MPC）。该 MPC 具有以下特性：（1）由于平面晶格对正向散射光的独特衍射作用，呈现出虹彩散射结构色；（2）ZnS 颗粒与 PU 之间的高折射率差（Δn）赋予其高色饱和度；（3）基于多晶结构的变形，表现出双模态机械变色散射结构色 —— 沿拉伸方向颜色红移，而垂直方向颜色蓝移。该 MPC 通过呈现多样的散射颜色，在监测胶带应变方面展现出应用潜力。本研究为机械变色光子晶体的设计与制备开辟了新途径，深化了对散射结构色调控的基础认知，有望推动其在视觉传感、低功耗显示和防伪等领域的实际应用。
文章以 Brilliant Mechanochromic Scattering Structural Colors为题发表在: ACS Appl. Mater. Interfaces上。文章的通讯作者为广东工业大学杨东朋副教授和国科大杭高院黄少铭教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.4c20910
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