南工大陈苏团队《Acc. Mater. Res.》综述：胶体光子晶体裂纹形成机理及有效抑制策略研究

自然界中最常见的颜色主要包括颜料色、染料色和结构色。与颜料和染料的分子发光机制不同，结构色源于有序光子结构对光的衍射或反射。自然界中的许多材料，包括昆虫的翅膀、鸟类的羽毛，以及天然的蛋白石，都属于光子晶体，光子晶体是一种典型的结构颜色材料，它可以通过光子禁带调控其光学性质。目前，化学领域主要采用胶体自组装的方法制备光子晶体材料，以单分散胶体颗粒作为构筑单元，构筑规整有序的光子晶体结构。然而，胶体光子晶体目前存在的开裂、组装效率低的问题严重阻碍了其实际应用。

图1. 无裂纹光子晶体的高效组装机制研究

近期，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授、朱亮亮教授团队在《Accounts of Materials Research》期刊上发表题为“Assembly of Crack-Free Photonic Crystals: Fundamentals, Emerging Strategies, and Perspectives”的综述论文，该综述从胶体组装过程中的驱动力平衡角度分析了胶体光子晶体材料裂纹形成的机理，总结了基于驱动力平衡设计构筑无裂纹光子晶体材料的研究进展，并对无裂纹光子晶体材料的发展进行了展望。

论文从动力学角度，分析了自组装过程中胶体运动状态及其驱动力对胶体组装过程的影响，总结了胶体光子晶体裂纹产生的潜在原因。包括：(1) 胶体颗粒尺寸和形状的不均匀性导致了光子晶体晶格中的局部缺陷，继而诱导晶体内出现位错、裂纹等问题；(2) 胶体颗粒之间的引力（驱动力）与溶液蒸发产生的表面张力的方向不同，从而导致晶格偏移；(3) 当溶剂蒸发时，颗粒收缩引起的应力与基底对颗粒的作用力不匹配，导致裂纹的产生。

图2. 蒸发自组装过程中裂纹产生示意图

本文认为胶体光子晶体的自组装过程实际上是胶体颗粒在驱动力下的平衡过程。自组装的驱动力包括：引力(范德华力、氢键、配位键、π-π作用、偶极子相互作用等)、斥力(双电层、静电斥力等)、外力(磁力、电力和机械力等)。胶体颗粒自组装成光子晶体的过程是在动态或静态平衡条件下缓慢进行，通常涉及上述三种力。胶体光子晶体的形态和结构转变由这种力平衡以及平衡破坏后的再平衡决定，如果现有的平衡被破坏，裂纹就可能产生。本文还介绍了目前抑制胶体光子晶体裂纹的方法，包括疏水力驱动组装、分子间作用力协同组装、软基底辅助组装、“胶体皮”增强组装、模板法组装等，从驱动力平衡角度分析了提高无裂纹胶体光子晶体组装效率的有效策略和机制。

图3. 疏水力驱动组装构筑无裂纹胶体光子晶体

该论文的第一作者为解安全博士，陈苏教授和朱亮亮教授为该论文的共同通讯作者。

作者信息：

解安全，2022年博士毕业于南京工业大学化工学院，师从陈苏教授和朱亮亮教授，毕业后进入苏州大学纺织学院从事博士后研究，研究方向为光子晶体、热管理、热电纳米纤维材料的构筑及其性能研究。
ORCID:
https://orcid.org/0000-0003-0422-5795

朱亮亮，南京工业大学特聘教授，主持多项国家自然科学基金、江苏省自然科学基金项目，迄今已在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Angew. Chem., Nat. Commun.,等国际期刊发表SCI论文50余篇，引用近4000次，高被引论文6篇。研究方向包括光子晶体材料、太阳能光热转化、微流控技术、光热催化等。
ORCID:
https://orcid.org/0000-0002-9090-5318

陈苏，南京工业大学化工学院副院长，二级教授，博士生导师，先后主持承担国家自然科学基金重点项目和面上项目6项、国家重点研发计划、国家“十一五”科技支撑计划子课题、“863”重大重点项目子课题、江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目、江苏省高校自然科学重大基础研究项目、美国Celanese公司国际合作项目和国家人事部留学回国重点基金等项目。研究方向包括：量子点、光子晶体材料、纳微宏无机-有机分子组装功能高分子材料、前端聚合反应工程、微流控技术、水凝胶材料等，以第一作者或通讯联系人在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.发表SCI论文270余篇。获教育部自然科学奖二等奖1项，中国石油与化学工业协会技术发明二等奖1项，江苏省科学技术进步三等奖2项，国际纳米技术与应用纳米技术成果大赛获银质奖1项。
ORCID:
https://orcid.org/0000-0002-3799-469X

静电微流体3D打印纺丝机（南京捷纳思新材料有限公司提供）。

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论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/accountsmr.2c00236

来源：高分子科学前沿

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