智能响应型光子晶体具有动态可调的光调制性能，其产生的独特结构色能够发生宽范围的响应变色效果，在色度传感、节能显示、信息加密、商品防伪等领域具有广泛的应用前景。其中，溶剂响应型光子晶体能够识别混合体系中特定的溶剂组分，将这类化学信号转变成裸眼可视的光学信号，为多组分溶剂的定量定性分析提供了一种新型的在线可视化技术。然而，已有溶剂响应型光子晶体受限于其较低的灵敏度，难以定量分析完全互溶体系中的微量共溶剂组分。
针对此问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室智能高分子材料团队陈涛研究员和乐晓霞副研究员提出在光子晶体中引入刷状聚合物凝胶组分构筑刷状光子凝胶的设计策略，利用刷状聚合网络中丙烯酸酯主链和寡聚乙二醇侧链在水/乙醇二元混合体系中的逐级舒展特性，显著提高了光子凝胶针对富乙醇体系中对微量水含量变化的响应变色灵敏度(图1)。
在该工作中，为了实现响应变色灵敏度的提高，科研人员通过调控聚乙二醇侧链聚合度、侧链末端官能团结构以及交联程度等，制备了一类在水、乙醇中具有显著溶胀度差异的刷状凝胶网络；将这类刷状聚合物凝胶与由ZnS@SiO2微球构筑的蛋白石型光子晶体相复合，构筑了刷状光子凝胶。利用时间分辨反射光谱测试技术详细表征了刷状光子凝胶的溶剂响应变色性能。如图2所示，在富乙醇浓度范围内(Vethanol>90%，Vwater<10%)，刷状光子凝胶的反射峰特征波长与混合溶剂中的水含量呈现线性正相关关系。在水含量从0%增加至1%时，光子凝胶的反射峰特征波长能够在100 ms左右的时间内迅速向长波长方向位移超过30 nm，进而引起其产生的结构色快速变化。利用这类具有高灵敏度和快速响应性能的刷状光子凝胶，进一步发展了其在燃料乙醇储运过程中的水含量实时在线监测应用。
该工作近期以题为“Brush-Like Polymeric Gels Enabled Photonic Crystals toward Ultrasensitive Cosolvent Chromis”的论文发表在Angewandte Chemie上(Angew. Chem. Int. Ed., 2024, e202414136；DOI： 10.1002/anie.202414136)，并被选为Hot Paper。本研究得到了国家重点研发计划(2022YFB3204300)、国家资助博士后研究人员计划(GZC20232792)，国家自然科学基金(52103246)、宁波市国际合作项目(2023H019)和中德合作国际交流项目(M-0424)等项目的资助。
图1 刷状光子凝胶的结构示意图及其在乙醇/水共溶作用下响应变色机理
图2 刷状光子凝胶对富乙醇体系中微量水含量的响应性能
