[发明专利]光子晶体纸及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光子晶体技术领域，尤其涉及一种光子晶体纸及其制备方法。

背景技术

光子晶体是一种具有光子带隙结构的周期性电介质材料，可以对光的传播方向进行有效调控，具有类似于电子半导体的性质。自1987年由Yablonovitch和John等提出以来，光子晶体被称为光学半导体，并被认为是未来光子工业的材料基础，在各类光学器件、光导纤维通讯和光子计算等领域具有广阔的应用前景。

可调制光子晶体材料是一类通过调节自身光子带隙结构对外场刺激作出响应的光子晶体材料，又叫做功能性光子晶体材料或响应性光子晶体材料。响应性光子晶体材料在温度传感器、湿度传感器、压力传感器、生物监测、化学试剂监测、指纹识别、彩色显示器、彩色印刷、军事伪装等领域具有广泛的应用，如磁响应液态光子晶体可用于彩色打印、军事伪装和彩色显示器；响应性光子晶体凝胶可应用于葡萄糖监测、离子监测和指纹监测等。

光子晶体纸，英文名称为Photonnic Papers，是一种对溶剂具有响应性的光子晶体材料，在教学设施、广告设施、彩色印刷、军事伪装等领域具有良好的应用前景。现有技术公开了多种光子晶体纸及其制备方法，如德国先进材料杂志(Adv.Mater.，2003年，15卷，892页)公开了一种向聚苯乙烯(PS)固态光子晶体模板中填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备光子晶体纸的方法，以无色的液体硅树脂或其他能溶胀PDMS的溶剂作为墨水，可在该光子晶体纸上写出带有颜色的字迹。但是，这种方法需要首先用垂直蒸发沉积法制备PS光子晶体模板，不仅耗时长，而且难以制备大尺寸模板，不利于工业化生产。德国先进材料杂志(Adv.Mater.，2009年，21卷，4259～4264页)公开了一种光子晶体纸的制备方法，首先将二氧化硅包覆的四氧化三铁磁性纳米粒子在磁场诱导下形成一维光子晶体结构，然后利用聚乙二醇丙烯酸和光引发剂2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮在紫外线照射下进行聚合反应将该一维光子晶体结构固化，得到光子晶体纸。这种制备方法虽然快速、简便，但是需要使用紫外线引发聚合反应进行固化，使得制备过程较为危险，难以实现工业化生产。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种光子晶体纸及其制备方法，本发明提供的制备方法快速、简便、安全，得到的光子晶体纸具有良好的化学稳定性和可重复书写能力。

本发明提供了一种光子晶体纸，包括：

基质，所述基质为聚丙烯酰胺凝胶；

固化在所述基质中的光子晶体材料，所述光子晶体材料为超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子。

优选的，所述光子晶体材料与所述基质的质量比为(3～5)∶(105～160)。

优选的，所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子的粒径为120nm～130nm。

与现有技术相比，本发明提供的光子晶体纸以聚丙烯酰胺凝胶为基质，以超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子为光子晶体材料，并将所述光子晶体材料固化于所述基质中。本发明提供的光子晶体纸中，光子晶体材料固化于所述聚丙烯酰胺凝胶基质中，呈现蓝色；当以纯水为墨水对所述光子晶体纸进行书写后，书写部分的聚丙烯酰胺凝胶吸水发生膨胀，使固化于其中的光子晶体材料的光子禁带带隙发生改变，从而显示出绿色的文字或图案。本发明提供的光子晶体纸具有良好的化学稳定性和可重复书写能力。

本发明还提供了一种光子晶体纸的制备方法，包括以下步骤：

a)将丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)、过硫酸盐和超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子在乙二醇中混合均匀，得到混合溶液；

b)向所述步骤a)得到的混合溶液中加入N，N，N′，N′-四甲基乙二胺，在外加均匀磁场的作用下反应得到光子晶体纸。

优选的，所述步骤a)具体包括：

a1)将丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)和过硫酸盐在乙二醇中混合均匀，得到第一溶液；

a2)向所述步骤a1)得到的第一溶液中加入超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子，超声分散后得到混合溶液。

优选的，所述过硫酸盐为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾。

优选的，所述丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)和过硫酸盐的质量比为(100～150)∶(5～10)∶(1～3)。

优选的，所述丙烯酰胺单体与所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子的质量比为(100～150)∶(3～5)。

优选的，所述均匀磁场的强度为0.1T～0.2T。