[发明专利]一种具有杂化结构的反蛋白石水凝胶光子晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种具有杂化结构的反蛋白石水凝胶光子晶体的制备方法。

背景技术

光子晶体是由具有不同折射率的材料在空间交替构成的一种周期性结构，其最根本的特征是具有光子禁带，即落在禁带中的光是被禁止传播的。由于光子禁带的存在，人们可以通过设计禁带实现对各种波长光的操控，获得各种各样的新型光学器件。其中，用水凝胶构筑的光子晶体可以在不同外界刺激下大幅度调节光子禁带的位置从而控制光的传播。这种材料逐渐被开发成各种传感器、显示器以及仿生材料。通常构筑水凝胶光子晶体的结构有聚合晶体胶体阵列结构、蛋白石结构和反蛋白石结构，其中反蛋白石结构由于其具有多孔性有利于快速传感在水凝胶光子晶体应用中具有很大的优势。目前，通过外界刺激能显示彩色图案的刺激-响应性凝胶光子晶体(H.Fudouzi etal，Langmuir，2003，19，9653；K.Matsubara，Angew.Chem.Int.Ed.2007，46，1688)已经被开发出来，这种光子晶体材料有望应用于新型的光子纸/墨体系从而替代传统的纸/墨和智能仿生材料。但这种凝胶光子晶体在外界刺激下显示的彩色图案只具有显示/消失两种状态的变化，而除上述两态显示能力外，显示的图案具有多种色彩变换能力的光子晶体显示材料的开发将促进光子晶体在显示器领域的进一步应用。为了实现上述目的，Y.J.Kang等人采用PS-QP2VP嵌段共聚物通过掩板涂布和控制交联度法制备了上层具有多种色彩变换能力的图案和下层具有蓝色背景的双层结构的盐响应性一维光子晶体(Y.J.Kang et al，Nat Mater，2007，6，957)。尽管文献中实现了图案在多种色彩间变换，但由于使用的材料成本较高而且上层图案显示受下层背景影响，限制了其广泛的应用。解决这一难题的途径之一是采用聚合物互穿网络方法。这种方法目前已应用于双层杂化本体水凝胶的制备(Z.B.Hu et al，Science，1995，269，525)。聚合物互穿网络方法的具体做法是在两个具有一定间距的玻璃片之间填充入第一种亲水性聚合物单体溶液，然后聚合。所得到的第一种聚合物薄膜从两个玻璃片之间分离后浸入到第二种亲水性聚合物单体溶液中进行二次填充，再将填充后的薄膜夹于两玻璃片之间进行第二次聚合，此时两玻璃片的间距要大于填充后的聚合物薄膜，第二种聚合物单体填充于这两玻璃片之间，聚合后分离两玻璃片即得到双层杂化本体水凝胶。对于具有杂化结构的反蛋白石水凝胶光子晶体，在制备方法中还未发现采用聚合物互穿网络的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的缺点，提供一种具有杂化结构的反蛋白石水凝胶光子晶体的制备方法，所述的光子晶体具有杂化结构，由聚丙烯酰胺反蛋白石光子晶体形成的图案和由聚丙烯酰胺和聚丙烯酸互穿聚合物网络反蛋白石光子晶体形成的图案组成完整的反蛋白石水凝胶光子晶体薄膜；聚丙烯酰胺和聚丙烯酸是水溶性聚合物，通过化学交联形成水凝胶，由这些水溶性聚合物为材料制备的反蛋白石光子晶体即为反蛋白石水凝胶光子晶体。聚丙烯酸和聚丙烯酰胺水凝胶对乙醇水溶液或pH敏感导致凝胶体积上的变化从而影响了光子晶体的晶格常数，因此可以通过调控水中乙醇含量或pH值即可控制上述由杂化结构形成的图案的禁带位置或颜色变化。杂化结构中所得到的图案是通过掩板光刻法得到。反蛋白石光子晶体是蛋白石光子晶体的相反结构，是通过胶体晶体模板合成法得到，即将蛋白石胶体晶体作为模板，再将可聚合的单体溶液填充入蛋白石胶体晶体，然后聚合。聚合后再选择性去除蛋白石胶体晶体就得到反蛋白石光子晶体。

一种具有杂化结构的反蛋白石水凝胶光子晶体的制备方法，包括如下步骤：

(1)先将均一单分散的二氧化硅微球分散在乙醇中，配置成质量分数为0.5％-4％浓度的溶液，再将此溶液倒入干净的容器中，最后将干净的基底垂直液面插入上述装有单分散二氧化硅微球溶液的容器中，放置于密闭的环境中于室温下一周时间使二氧化硅微球沉积到基底表面，在基底表面形成蛋白石胶体晶体；所述的基底是玻璃或硅片；所述的二氧化硅微球球径为180nm-300nm；