智能響應型光子晶體具有動態可調的光調制性能，其產生的獨特結構色能夠發生寬范圍的響應變色效果，在色度傳感、節能顯示、信息加密、商品防偽等領域具有廣泛的應用前景。其中，溶劑響應型光子晶體能夠識別混合體系中特定的溶劑組分，將這類化學信號轉變成裸眼可視的光學信號，為多組分溶劑的定量定性分析提供了一種新型的在線可視化技術。然而，已有溶劑響應型光子晶體受限于其較低的靈敏度，難以定量分析完全互溶體系中的微量共溶劑組分。
 

　　針對此問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋關鍵材料重點實驗室智能高分子材料團隊陳濤研究員和樂曉霞副研究員提出在光子晶體中引入刷狀聚合物凝膠組分構筑刷狀光子凝膠的設計策略，利用刷狀聚合網絡中丙烯酸酯主鏈和寡聚乙二醇側鏈在水/乙醇二元混合體系中的逐級舒展特性，顯著提高了光子凝膠針對富乙醇體系中對微量水含量變化的響應變色靈敏度(圖1)。
 

　　在該工作中，為了實現響應變色靈敏度的提高，科研人員通過調控聚乙二醇側鏈聚合度、側鏈末端官能團結構以及交聯程度等，制備了一類在水、乙醇中具有顯著溶脹度差異的刷狀凝膠網絡；將這類刷狀聚合物凝膠與由ZnS@SiO2微球構筑的蛋白石型光子晶體相復合，構筑了刷狀光子凝膠。利用時間分辨反射光譜測試技術詳細表征了刷狀光子凝膠的溶劑響應變色性能。如圖2所示，在富乙醇濃度范圍內(Vethanol>90%，Vwater<10%)，刷狀光子凝膠的反射峰特征波長與混合溶劑中的水含量呈現線性正相關關系。在水含量從0%增加至1%時，光子凝膠的反射峰特征波長能夠在100 ms左右的時間內迅速向長波長方向位移超過30 nm，進而引起其產生的結構色快速變化。利用這類具有高靈敏度和快速響應性能的刷狀光子凝膠，進一步發展了其在燃料乙醇儲運過程中的水含量實時在線監測應用。
 

　　該工作近期以題為“Brush-Like Polymeric Gels Enabled Photonic Crystals toward Ultrasensitive Cosolvent Chromis”的論文發表在Angewandte Chemie上(Angew. Chem. Int. Ed., 2024, e202414136；DOI： 10.1002/anie.202414136)，并被選為Hot Paper。本研究得到了國家重點研發計劃(2022YFB3204300)、國家資助博士后研究人員計劃(GZC20232792)，國家自然科學基金(52103246)、寧波市國際合作項目(2023H019)和中德合作國際交流項目(M-0424)等項目的資助。
 

圖1 刷狀光子凝膠的結構示意圖及其在乙醇/水共溶作用下響應變色機理
 

圖2 刷狀光子凝膠對富乙醇體系中微量水含量的響應性能