[发明专利]一种乳液有序自组装制备光子晶体材料的方法

说明书

本发明涉及一种乳液有序自组装制备光子晶体材料的方法；将两亲性支化嵌段聚合物溶于与水不相溶的有机溶剂中，形成聚合物溶液，将聚合物溶液制成分散于含有表面活性剂的水溶液中形成微米大小的液滴；在0～60℃、5％～80％相对湿度的条件下，使两亲性支化嵌段聚合物溶液中的有机溶剂挥发完全，在挥发过程中发生反相乳化而形成水包油包水的双乳液，其中油相中纳米水滴自组装形成有序排列结构，得到具有有序多孔结构的固体光子晶体材料。光子晶体材料包含有序多孔结构，反射光颜色覆盖整个可见光范围。本发明提供制备方法操作简单，可重复性强，避免了传统制备方法的过程繁琐、耗时长、操作复杂以及制备条件苛刻等问题。

技术领域

本发明属于光子晶体材料制备方法领域，更详细地，涉及一种利用水包油包水(w/o/w)双乳液有序自组装制备多孔结构光子晶体材料的新方法，利用两亲性支化嵌段共聚物自组装形成有序多孔结构，包括所述乳液及所述多孔结构光子晶体材料的制备方法。

背景技术

在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出了光子晶体(PhotonicCrystal)的概念，即光子晶体是具有不同折射率的材料组装成亚微米高度有序的周期性结构。在导电晶体中，电子以波的形式传播，符合特定标准的波可以通过周期性电位而不会散射。然而，因为晶体的能带结构存在间隙，所以能禁止电子在某些方向上以某些能量传播。如果晶格势足够强，则间隙可以延伸以覆盖所有可能的传播方向，从而产生完整的带隙。将这种原理应用到光学中即产生了光子晶体的概念，其中原子或分子被具有不同介电常数的宏观介质代替，并且周期性电位被周期性介电函数(或周期性折射率)代替。因此，我们可以设计和构造具有光子带隙的光子晶体，防止光以特定频率(一定范围的波长)在某些方向上传播。光子晶体根据其周期性结构在空间中的排列方式可以分为一维，二维和三维结构。三维光子晶体在自然界中普遍存在，例如：澳大利亚出产的蛋白石就是一种三维光子晶体，它由紧密排列的二氧化硅纳米球构成。

目前，制备多孔结构光子晶体一般采用的是胶体纳米粒子自组装加刻蚀法，该方法具有步骤多、耗时长、操作复杂以及制备条件苛刻等缺点，我们以二氧化硅(SiO₂)纳米球自组装形成蛋白石结构为例来说明：首先，需要通过近似于单分散的SiO₂纳米颗粒自组装成面心立方(fcc)胶体晶体，一般的方法是将SiO₂胶体粒子在重力或吸附力的作用下沉积于基板上，SiO₂胶体粒子自动堆积成面心立方的结构。其次，在此种晶体结构中存在着32％左右的空隙，通过在空隙中反填其他原料，如聚合单体，再通过引发聚合而形成一个聚合物整体。最后，通过刻蚀的方法除去SiO₂而生产周期性排列的有序多孔结构。因为这种模板与天然蛋白石具有相同的立方密堆积结构，所以称为人工蛋白石。而通过此类蛋白石模板制备的多孔结构被称为“反蛋白石”结构。为了得到完美的反蛋白石结构，必须保证能均匀地充填蛋白石结构的空隙，只有当充填率达80％以上时，才能得到较好的光子带隙。此外，在制备反蛋白石结构时，通常需要使用腐蚀性极强的氢氟酸将SiO₂刻蚀掉，此种危险化学药品严重制约了产业化应用。

两亲性支化嵌段共聚物近年来引起了很多关注，因为它们在选择性溶剂中的自组装可以提供各种结构的纳米组装体，例如胶束、纳米纤维和囊泡。两亲性支化嵌段共聚物是指在同一分子链中含有亲水长支链和亲油长支链的支化聚合物化合物，亲水链段和亲油链段的不相容性会导致微相分离的发生，使得两亲性嵌段聚合物表现出自组装的特性。它在生物材料、工程材料、添加剂、涂料等方面有着广泛的应用。聚合物刷作为一种支化聚合物正受到越来越多的关注，它的分子结构由一条聚合物主链和无数条紧密排列的聚合物支链组成，由于支链间较大的空间排斥效应，主链在很大程度上呈现极度舒展的形态。不同于线性聚合物，这种聚合物构象特殊，分子间链缠结大幅减少，自组装动力学显著加快。分子量高达百万Da的样品仍能在几分钟内自组装形成较好的微结构，且结构尺寸从几十纳米扩展到了几百纳米，因而可以实现与可见光的相互作用。然而，传统的通过聚合物刷自组装方法只能制备一维层状的光子晶体，且需要分子量高达百万Da以上的聚合物才能实现制备反射可见光的结构，合成难度高，较大的影响了其作为光子晶体构筑材料的实际应用。