摘要
光子晶体是一种周期性的光学纳米结构，它影响光子的运动，就像离子晶格影响固体中的电子一样。光子晶体在自然界中以结构着色和动物反射器的形式存在，一维光子晶体是管理和控制光流的理想光学材料，在显示领域有着可观的应用。相比传统的胶体自组装需要至少几小时的构筑时间，通过外加磁场诱导组装的磁响应一维光子晶体具有组装过程迅速、完全可逆和易于操纵的优势。因其颜色来源于有序而脆弱的周期性结构，所以将这种光学结构封装在功能性水凝胶中可以同时实现寿命的延长和水凝胶功能与光子晶体结构色的集成。水凝胶微球具有和普通凝胶相同的理化性质和更高的比表面积，所以能更快速的对外部的刺激做出反应。因此将磁性胶体纳米粒子在外加磁场诱导下有序组装在功能性水凝胶微球中的策略能够赋予水凝胶微球磁响应性能和多彩结构色，有效拓宽其应用领域和提升其使用价值，高度符合现代科学多功能化、小型化、集成化的趋势。因此，如何制备具有特定功能和应用范围的胶体纳米粒子与水凝胶微球复合材料，通过材料合成中的调控实现对结构与性能的定制化设计，是亟待解决的科学性技术问题。 基于此，本文以单分散超顺磁四氧化三铁胶体颗粒为出发点，通过微流控技术将磁性纳米材料与水凝胶材料有机结合，旨在为大规模制备和应用复合水凝胶微球提供一种简便稳定的方案。主要研究内容如下: (1)通过溶剂热法探索粒径可调的磁性纳米四氧化三铁颗粒的合成配方与工艺，结合改进后的St(o)ber法制备二氧化硅包覆四氧化三铁(Fe3O4@SiO2)核壳结构胶体纳米粒子，之后调节外加磁场研究一维光子晶体结构的磁诱导组装和磁响应结构色调控。以六水合三氯化铁为铁源、乙二醇为溶剂和还原剂、柠檬酸钠为静电稳定剂、醋酸钠为碱源，通过溶剂热法合成了超顺磁四氧化三铁，之后使正硅酸四乙酯水解形成二氧化硅包覆在其表面形成核壳结构。改变配比分析Fe3O4@SiO2纳米粒子尺寸与各原料间的关系，研究所制备的Fe3O4@SiO2纳米粒子的形貌、尺寸、组成、分散性能以及磁性质;研究在外加磁场诱导下纳米粒子在分散液中的组装行为以及调控粒径和磁场强度改变所形成的一维光子晶体结构色。成功将结构色的反射光波长跨度覆盖大部分可见光区域，为后续的Fe3O4@SiO2纳米粒子材料在水凝胶微球中的组装和应用提供基础经验。 (2)搭建微流体通道用于构筑单分散水凝胶微球，研究微球粒径、形态、成型工艺与微流体通道和各组分液体流速间的关系。以含O-羧甲基壳聚糖、磁性Fe3O4@SiO2胶体纳米粒子、引发剂的丙烯酰胺和1-乙烯基-2-吡咯烷酮水凝胶单体的水溶液为分散相，甲基硅油为连续相，通过外加磁场诱导磁性粒子富集于液滴模板一侧后交联固化制备Janus水凝胶微球。通过红外、扫描电镜等技术手段对制备的单分散磁响应Janus自愈合水凝胶微球进行结构表征和性能分析，探索其在可重复编码解码显示、定向分离中的应用研究。 (3)最后，在微流体液滴中通过磁场诱导Fe3O4@SiO2纳米粒子组装一维光子晶体结构，之后经紫外线引发单体聚合制备出有结构色的单分散自愈合水凝胶微球。通过反射光谱、扫描电镜等分析技术对结构色水凝胶微球的光学性质、微观结构等进行了表征。结合自愈合和结构色特性，对光子晶体水凝胶微球的多维建模和作为可重复使用的盲文书写材料进行了应用研究。镶嵌有光子晶体结构的自愈合水凝胶微球有望实现跨尺度的复杂显示应用。
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