CN112213801A - 一种基于光传播介质变化即时响应的透明-彩色转变的密封式光子晶体光栅 - Google Patents

一种基于光传播介质变化即时响应的透明-彩色转变的密封式光子晶体光栅 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光传播介质变化即时响应的透明‑彩色转变的密封式光子晶体光栅及其应用，属于信息加密和商品防伪领域。所述密封式光子晶体光栅由基材、光子晶体阵列、空气层和密封层组成。密封式光子晶体光栅在空气中透明，在液体中呈现出亮丽的结构色，从而方便地实现图案隐藏‑显示转变。本发明仅依靠光子晶体光栅所处的介质不同，使其即时地发生从透明到彩色的明显色彩变化。本发明的密封式光子晶体光栅制备方法简便、成本低，仅依赖光传播介质的改变即可实现从透明到彩色的即时颜色变化；并且由于光传播介质仅在材料外部使用不渗透到光子晶体阵列内部，所以该材料可持久使用，在信息加密和商品防伪中具有明显的优势。

Description

一种基于光传播介质变化即时响应的透明-彩色转变的密封 式光子晶体光栅
技术领域
本发明涉及一种光子晶体光栅，具体涉及一种基于光传播介质变化即时响应的透明-彩色转变的密封式光子晶体光栅。
背景技术
大自然是研究者们设计新颖材料和功能的灵感来源，通过向大自然学习，许多具有迷人结构色的仿生材料被开发出来。与染料或颜料等化学着色剂不同，结构着色材料通过光与物质表面规则的微观结构相互作用产生颜色(如薄膜干涉、衍射光栅、光散射等)。光子晶体作为一种折射率在空间中周期性变化的结构色材料，由于环境友好、不易褪色、易于调节、不易仿制的特点，在显示、传感、加密和防伪等领域具有十分重要的应用价值。
到目前为止，光子晶体结构色材料调节颜色的主要方式是依赖外界刺激(比如光、热、应力、磁场、溶剂等)改变材料自身的结构参数，使反射波长发生变化，从而改变材料自身的颜色。例如，CN 105693903A公开了一种基于光子晶体结构色防伪图案的制备方法，所制备的结构色图案能够在外加磁场的作用下变色且颜色具有角度依赖性。CN 104672733A提供一种湿敏变色防伪功能材料，在不同的湿度条件下，组分A形成的光子晶体点阵周期参数会随着组分B的溶胀特性发生变化，因此所限定的波长也会发生改变，从而呈现出不同的颜色。CN 110563965A公开了一种具有一过性加密信息的温度敏感变色水凝胶，该水凝胶在特定的温度下能够一过性地展现特定图案和信息。在这类结构色转变方式中，外界刺激条件直接作用于光子晶体，并且光子晶体对外界刺激做出响应到颜色改变的过程需要一定的时间，这在一定程度上限制了他们的实际应用。尽管已有响应时间较短的光子晶体结构色材料的报道，但是无需直接作用于光子晶体、即时响应的结构色防伪材料的开发仍是一项挑战。
此外，仅能在不同颜色之间转变的光子晶体结构色材料无法实现结构色的隐藏，在一些实际应用中会受到限制，具有较大对比度的透明-彩色态转变的光子晶体结构色材料具有更大的实用价值。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于光传播介质变化即时响应的透明-彩色转变的密封式光子晶体光栅。与基于液体渗透到光子晶体阵列内部引起颜色变化的材料不同，本发明仅依靠光子晶体光栅所处的介质不同，使其即时地发生从透明到彩色的明显色彩变化。本发明中的密封式光子晶体光栅在空气中透明，在液体中呈现出亮丽的结构色，从而方便地实现图案的隐藏-显示转变。本发明中的光子晶体光栅显示结构色时液体未渗透进入阵列内部，转变过程不需要响应时间，可实现颜色的即时变化，具有超快转变的特点。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于光传播介质变化即时响应的透明-彩色转变的密封式光子晶体光栅，所述密封式光子晶体光栅由透明基材、光子晶体阵列、空气层和密封层组成，光子晶体阵列和空气层被密封层密封在透明基材上，通过改变密封式光子晶体光栅所处的介质种类实现透明-彩色的即时转变；当密封式光子晶体光栅所处的介质为空气时，显示透明，当密封式光子晶体光栅所处的介质为液体时，显色具有角度依存的彩色结构色；
所述光子晶体阵列包括由微球组装而成的有序堆积微球型光子晶体阵列、由微球组装而成的无序堆积微球型光子晶体阵列和由微球作为模板经填充物填充、模板去除制备的空穴型光子晶体阵列。
所述密封式光子晶体光栅根据布拉格衍射方程mλ＝ndsinθ中光传播介质折射率n对衍射波长λ的影响使材料的颜色发生变化。当光子晶体光栅处于空气中时，n＝1，此时衍射波长处于蓝色光或者紫外光区，肉眼几乎观察不到颜色，材料透明。当光子晶体光栅处于液体中时，n>1，衍射波长会发生红移，处于可见光波段时就可以观察到颜色，从而实现材料的透明-彩色转变。由于不需要液体渗透进入光子晶体阵列内部，这种转变过程可以通过变换不同的介质而快速实现。
进一步地，上述技术方案中，由微球型光子晶体阵列得到的密封式光子晶体光栅需要直接在基材上密封，由空穴型光子晶体阵列得到的密封式光子晶体光栅可以转移到不同的基材上密封。
进一步地，上述技术方案中，所述由微球组装而成的有序堆积微球型光子晶体阵列中微球的排列方式包括六边形紧密堆积结构、立方紧密堆积结构和非紧密堆积结构中的一种；所述由微球组装而成的无序堆积微球型光子晶体阵列中微球的排列方式为短程有序长程无序堆积结构。在本发明中，有序堆积结构得到的结构色为炫光颜色，无序堆积结构得到的结构色没有炫光效果。
进一步地，上述技术方案中，光子晶体阵列中的微球为无机微球、有机微球和无机-有机复合微球中的一种、两种或两种以上，所述无机微球包括二氧化硅微球、二氧化钛微球、四氧化三铁微球，所述有机微球包括聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球；所述无机-有机复合微球包括二氧化硅包覆聚苯乙烯微球、二氧化钛包覆聚苯乙烯微球。在本发明中，光子晶体光栅的结构色不受微球种类的影响。
进一步地，上述技术方案中，所述微球的粒径为50-500nm，优选为200-400nm；堆积层数为大于等于1层，优选为1-50层。在本发明中，通过调节微球堆积层数可以调节密封式光子晶体光栅在空气中的透明度，微球堆积层数越小，透明度越高，随着微球堆积层数的增加，透明度逐渐降低。
进一步地，上述技术方案中，所述空穴型光子晶体阵列的填充物为有机聚合物；所述有机聚合物为三丙烯酸酯类、双丙烯酸酯类、丙烯酸酯类、四(3-巯基丙酸)酯类、三(3-巯基丙酸)酯类、二(3-巯基丙酸)酯类、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、酚醛树脂中的一种、两种或两种以上。
进一步地，上述技术方案中，所述透明基材为无机透明基材或有机透明基材，所述无机透明基材包括玻璃、透明陶瓷，所述有机透明基材包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸脂。在本发明中，所述基材的形状和尺寸没有限定，基材可以是平面也可以是曲面，一般情况下所制备的光子晶体光栅的尺寸要小于基材的尺寸。
进一步地，上述技术方案中，所述密封层包括封口膜、保鲜膜、双面胶、透明胶或粘性聚合物。
进一步地，上述技术方案中，所述由微球组装而成的光子晶体阵列为有序堆积微球型光子晶体阵列和由微球组装而成的无序堆积微球型光子晶体阵列的制备方法，包括以下步骤：
(1)将体积比为1:(1-3):(1-3)的微球、水、有机分散剂混合均匀，制备含有微球的分散液；所述微球在分散液中的浓度为0.1-20wt％，所述有机分散剂包括乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇；
(2)通过一定的组装方法在透明基材上组装有序堆积微球型光子晶体阵列或无序堆积微球型光子晶体阵列，挥干溶剂，得到组装有光子晶体阵列的透明基材；所述组装的方法包括气-液界面组装法、垂直沉积法、提拉法、喷涂法、旋涂法、刮涂法、滴涂法、L-B膜组装法、光刻蚀法、喷墨打印法；
(3)采用密封层将组装有光子晶体阵列的透明基材密封，光子晶体阵列和密封层之间留有空气层，阻止液体进入空气层和光子晶体阵列。
其中所述微球、水、有机分散剂的体积比可以为1:(1-3):(1-3)，优选为1:1:1；所述密封式光子晶体光栅在基材一侧观察结构色。
进一步地，上述技术方案中，所述由微球作为模板经填充物填充、模板去除制备的空穴型光子晶体阵列的制备方法，包括以下步骤：
(1)将体积比为1:(1-3):(1-3)的微球、水、有机分散剂混合均匀，制备含有微球的分散液；所述微球在分散液中的浓度为0.1-20wt％，所述有机分散剂包括乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇；
(2)通过一定的组装方法在透明基材上组装光子晶体阵列，挥干溶剂，得到组装有光子晶体阵列的透明基材；所述组装的方法包括气-液界面组装法、垂直沉积法、提拉法、喷涂法、旋涂法、刮涂法、滴涂法、L-B膜组装法、光刻蚀法、喷墨打印法；
(3)将填充物的前驱液滴加在组装好的光子晶体阵列上，固化，采用刻蚀法除去光子晶体阵列中的微球，得到由有机聚合物和空气穴组成的空穴型光子晶体阵列薄膜；所述填充物的前驱液包括乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚乙二醇(200)双丙烯酸酯、聚乙二醇(400)双丙烯酸酯、聚乙二醇(600)双丙烯酸酯、聚乙二醇(1000)双丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、异氰酸酯、二甲基硅氧烷、聚乙烯醇中的一种、两种或两种以上；所述固化方式包括光固化和热固化；所述刻蚀方法包括酸刻蚀法、碱刻蚀法和溶剂刻蚀法；
(4)将空穴型光子晶体阵列薄膜取下，用密封层将空穴型光子晶体阵列薄膜密封在所要使用的基材上，空穴型光子晶体阵列薄膜和密封层之间留有空气层，阻止液体进入空气层和光子晶体阵列。
其中，所述微球、水、有机分散剂的体积比可以为1:(1-3):(1-3)，优选为1:1:1；所述密封式光子晶体光栅在空穴型光子晶体阵列薄膜一侧观察颜色。
本发明提供的上述密封式光子晶体光栅在制备信息加密涂层和防伪涂层、彩色显示设备、化学传感器、可穿戴电子设备中的应用。在本发明中，密封式光子晶体光栅可以被加工成携带特定信息的二维码、文字或图案等，在空气中因为透明而隐藏，在液体中因为显示出亮丽的结构色而显示信息，实现信息的加密-解密过程。还可以将特定图案的光子晶体光栅固定在商品(如饮料瓶、咖啡杯、药品瓶)表面，光子晶体光栅在空气中透明，不影响商品外观，在液体中显示出特定图案，实现商品防伪的效果。
本发明的有益效果为：本发明中的密封式光子晶体光栅只需要将光子晶体阵列和空气层密封在透明基材上就可以完成制备过程，制备方法简便、快速、不涉及复杂的仪器和操作，能够适用于各种形状的基材。本发明中的光子晶体光栅仅依赖光传播介质的改变即可实现从透明到彩色的即时颜色变化，显示结构色时液体未渗透进入阵列内部，转变过程不需要响应时间，具有超快转变的特点。颜色能够从透明变化到亮丽的彩色态，对比强烈，转变过程可逆。并且由于光传播介质仅在被密封的光子晶体光栅外部使用不渗透到光子晶体阵列内部，所以该材料可持久使用，且在材料生命周期内可以实现“永不褪色”的效果。透明-彩色的较大对比度和即时、可逆的颜色转变使本发明中的密封式光子晶体光栅在传感、显示、可穿戴电子皮肤、信息加密和防伪领域的应用中具有明显的优势。
本发明中的光子晶体光栅与基于液体渗透到光子晶体阵列内部引起颜色变化的材料不同，本发明仅依靠光子晶体光栅所处的介质不同，使其即时地发生从透明到彩色的明显色彩变化。本发明的密封式光子晶体光栅制备方法简便、成本低，仅依赖光传播介质的改变即可实现从透明到彩色的即时颜色变化；并且由于光传播介质仅在材料外部使用不渗透到光子晶体阵列内部，所以该材料可持久使用，在传感、显示、可穿戴电子皮肤、信息加密和商品防伪中具有明显的优势。
附图说明
图1(a)为实施例1中的单层光子晶体阵列的扫描电镜图；(b)为实施例1中的单层光子晶体阵列的截面扫描电镜图。
图2(a)为实施例1中的密封式光子晶体光栅在空气中的数码照片；(b)为实施例1中的密封式光子晶体光栅在水中显示结构色的数码照片，从左到右分别为从不同角度观察结果，依次为红色、黄色、绿色、蓝色。
图3为实施例1中玻璃基材和光子晶体光栅在空气中的透射光谱图。
图4(a)为实施例2得到的多层光子晶体阵列的扫描电镜图，(b)为实施例2得到的多层光子晶体阵列的截面扫描电镜图
图5(a)为实施例3中光子晶体阵列的扫描电镜图；(b)为实施例3中空气穴和有机聚合物组成的空穴型光子晶体光栅的扫描电镜图。
图6(a)为实施例3中的密封式光子晶体光栅在空气中的数码照片；(b)为实施例3中的密封式光子晶体光栅的弯曲图；(c)为实施例3中的密封式光子晶体光栅在水中显示不同颜色结构色的数码照片，从左到右分别为从不同角度观察结果，依次为红色、黄色、绿色、蓝色。
图7(a)为应用例1中的密封式光子晶体光栅二维码图案在空气中的数码照片；(b)为应用例1中的密封式光子晶体光栅二维码图案在水中显示不同颜色的数码照片，从左到右分别为从不同角度观察结果，依次为红色、橙色、黄色、绿色、蓝色。
图8(a)为应用例2中附着有空穴型光子晶体阵列薄膜的咖啡杯在空气中的数码照片；(b)为应用例2中附着有空穴型光子晶体阵列薄膜的咖啡杯部分浸入水中后光栅膜显示不同颜色的数码照片，从左到右分别为从不同角度观察结果，依次为红色、绿色。
具体实施方式
下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
(1)以聚苯乙烯球作为模板、钛酸四丁酯作为钛源、氨水作为催化剂，通过溶胶-凝胶法制备粒径为260nm的二氧化钛包覆聚苯乙烯微球，将二氧化钛包覆聚苯乙烯微球、水、正丙醇混合后超声分散，制备含有二氧化钛包覆聚苯乙烯微球的分散液，二氧化钛包覆聚苯乙烯微球的浓度为10wt％，二氧化钛包覆聚苯乙烯微球、水、正丙醇的体积比为1:1:1；
(2)采用气-液界面组装法在玻璃培养皿上组装光子晶体阵列，微球的堆积层数为1层，挥干溶剂，得单层光子晶体阵列；
(3)采用封口膜将单层光子晶体阵列密封在玻璃培养皿中得到密封式光子晶体光栅，光子晶体阵列和密封层(封口膜)之间留有空气层，将其分别放在空气中和水中观察不同角度的颜色变化。
图1(a)为实施例1得到的单层光子晶体阵列的扫描电镜图，图1(b)为实施例1得到的单层光子晶体阵列的截面扫描电镜图，如其所示，光子晶体阵列为单层，六边形紧密堆积排列。图2(a)为实施例1中的密封式光子晶体光栅在空气中的数码照片，图2(b)为实施例1中的密封式光子晶体光栅在水中显示结构色的数码照片，从左到右分别为从不同角度观察结果，依次为红色、黄色、绿色、蓝色，如其所示，单层密封式光子晶体光栅在空气中透明，底部的字母清晰可见，在水中显示出强烈的角度相关的结构色，证明密封式光子晶体光栅可以实现透明-彩色的快速转变。图3为实施例1中玻璃基材和光子晶体光栅在空气中的透射光谱图，如其所示，光子晶体光栅在空气中与空白玻璃的透光率接近，说明在空气中有很好的透明效果。
实施例2
(1)采用乳液聚合法制备粒径为280nm的聚苯乙烯微球，将聚苯乙烯微球、水、正丙醇混合后超声分散，制备含有聚苯乙烯微球的分散液，聚苯乙烯微球的浓度为10wt％，聚苯乙烯微球、水、正丙醇的体积比为1:1:1；
(2)采用提拉法在玻璃培养皿上组装光子晶体阵列，微球的堆积层数为33层，挥干溶剂，得光子晶体阵列；
(3)采用保鲜膜将光子晶体阵列密封在玻璃培养皿中得到密封式光子晶体光栅，光子晶体阵列和密封层(封口膜)之间留有空气层，将其分别放在空气中和水中观察不同角度的颜色变化。
图4(a)为实施例2得到的多层光子晶体阵列的扫描电镜图，图4(b)为实施例2得到的多层光子晶体阵列的截面扫描电镜图，如其所示，光子晶体阵列为多层，立方紧密堆积排列。
实施例3
(1)采用Stober法制备粒径为320nm的二氧化硅微球，将二氧化硅微球、水、正丁醇混合后超声分散，制备含有二氧化硅微球的分散液，二氧化硅微球的浓度为10wt％，二氧化硅微球、水、正丁醇的体积比为1:1:1；
(2)采用气液界面组装法在玻璃培养皿上组装光子晶体阵列，微球的堆积层数为1层，挥干溶剂，得组装好的单层光子晶体阵列；
(3)将乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的低聚物的预聚液滴加到组装好的单层光子晶体阵列表面，预聚液由乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚乙二醇(200)二丙烯酸酯、丙烯酸丁酯、光引发剂1173组成，体积比为1:1:2:0.05，365nm的紫外光固化后将聚乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和光子晶体组成的复合结构从玻璃培养皿上揭下，在浓度为40wt％氢氟酸水溶液中浸泡5min去除复合结构中的二氧化硅微球，得到由有机聚合物和空气穴组成的空穴型光子晶体阵列薄膜；
(4)采用双面胶将空穴型光子晶体阵列密封在PET透明基材上，空穴型光子晶体阵列薄膜和密封层(双面胶)之间留有空气层，液体不可进入，得到密封式光子晶体光栅，将其分别放在空气中和水中观察不同角度的颜色变化。
图5(a)为实施例3中单层光子晶体阵列的扫描电镜图，图5(b)为实施例3中空气穴和有机聚合物组成的空穴型光子晶体光栅的扫描电镜图，如其所示，二氧化硅微球组装成的光子晶体阵列为单层，六边形紧密堆积排列，除去微球型的复合结构保留了周期性排列的孔结构。图6(a)为实施例3中的密封式光子晶体光栅在空气中的数码照片，图6(c)为实施例3中的密封式光子晶体光栅在水中显示不同颜色结构色的数码照片，从左到右分别为从不同角度观察结果，依次为红色、黄色、绿色、蓝色，如其所示，本实施例中所制备的密封式光子晶体光栅在空气中透明，能够随着柔性基材弯曲(图6(b))，进入水中后即时显示出亮丽的角度相关结构色，证明其可实现透明-彩色的超快转变。
实施例4
(1)采用乳液聚合法制备粒径为400nm的聚甲基丙烯酸甲酯微球，将聚甲基丙烯酸甲酯微球、水、异丙醇混合后超声分散，制备含有聚甲基丙烯酸甲酯微球的分散液聚甲基丙烯酸甲酯微球的浓度为8wt％，聚甲基丙烯酸甲酯微球、水、异丙醇的体积比为1:1:1；
(2)采用提拉法在玻璃培养皿上组装光子晶体阵列，微球的堆积层数为30层，挥干溶剂，得组装好的光子晶体阵列；
(3)将聚二甲基硅氧烷的预聚液滴加到组装好的光子晶体阵列表面，预聚液由聚二甲基硅氧烷前驱体和固化剂组成，体积比为10:1，80℃加热固化后将填充物和光子晶体组成的复合结构从玻璃培养皿上揭下，在甲苯中浸泡10h去除复合结构中的聚甲基丙烯酸甲酯微球，得到由有机聚合物和空气穴组成的空穴型光子晶体阵列薄膜；
(4)采用双面胶将空穴型光子晶体阵列薄膜密封在玻璃基材上，空穴型光子晶体阵列薄膜和密封层(双面胶)之间留有空气层，液体不可进入，得到密封式光子晶体光栅，将其分别放在空气中和水中观察不同角度的颜色变化。
实施例5
(1)采用Stober法制备粒径为300nm的二氧化硅微球，将二氧化硅微球、水、正丁醇混合后超声分散，制备含有二氧化硅微球的分散液，二氧化硅微球的浓度为5wt％，二氧化硅微球、水、正丁醇的体积比为1:1:1；
(2)采用喷涂法在玻璃片上组装光子晶体阵列，微球的堆积层数为40层，挥干溶剂，得组装好的光子晶体阵列；
(3)将聚二甲基硅氧烷的预聚液滴加到组装好的光子晶体阵列表面，预聚液由聚二甲基硅氧烷前驱体和固化剂组成，体积比为10:1，80℃加热固化后将填充物和光子晶体组成的复合结构从玻璃培养皿上揭下，在浓度为40wt％氢氟酸水溶液中浸泡5min去除复合结构中的二氧化硅微球，得到由有机聚合物和空气穴组成的空穴型光子晶体阵列薄膜；
(4)采用透明胶将空穴型光子晶体阵列密封在聚苯乙烯透明基材上，空穴型光子晶体阵列薄膜和密封层(透明胶)之间留有空气层，液体不可进入，得到密封式光子晶体光栅，将其分别放在空气中和水中观察不同角度的颜色变化。
实施例6
(1)采用乳液聚合法制备粒径为400nm的聚甲基丙烯酸甲酯微球，将聚甲基丙烯酸甲酯微球、水、异丙醇混合后超声分散，制备含有聚甲基丙烯酸甲酯微球的分散液，聚甲基丙烯酸甲酯微球的浓度为8wt％，微球、水、异丙醇的体积比为1:1:1；
(2)采用喷涂法在玻璃片上组装光子晶体阵列，微球的堆积层数为40层，挥干溶剂，得光子晶体阵列；
(3)采用封口膜将光子晶体阵列密封在玻璃培养皿中得到密封式光子晶体光栅，光子晶体阵列和密封层(封口膜)之间留有空气层，将其分别放在空气中和水中观察不同角度的颜色变化。
实施例7
(1)以聚苯乙烯球作为模板、正硅酸乙酯作为硅源、氨水作为催化剂，通过溶胶-凝胶法制备粒径为350nm的二氧化硅包覆聚苯乙烯微球，将二氧化硅包覆聚苯乙烯微球、水、正丁醇混合后超声分散，制备含有二氧化硅包覆聚苯乙烯微球的分散液，二氧化硅包覆聚苯乙烯微球的浓度为10wt％，二氧化硅包覆聚苯乙烯微球、水、正丁醇的体积比为1:1:1；
(2)采用气-液界面组装法在玻璃培养皿上组装光子晶体阵列，微球的堆积层数为1层，挥干溶剂，得组装好的单层光子晶体阵列；
(3)将三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的低聚物和四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯的混合预聚液滴加到组装好的单层光子晶体阵列表面，预聚液由将三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚乙二醇(1000)双丙烯酸酯、丙烯酸、四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯、光引发剂1173组成，体积比为1:4:1:0.4:0.05，365nm紫外光固化后将填充物和光子晶体组成的复合结构从玻璃培养皿上揭下，在浓度为30wt％的氢氧化钠水溶液中浸泡2h去除复合结构中的二氧化硅微球，得到由有机聚合物和空气穴组成的空穴型光子晶体阵列薄膜；
(4)采用双面胶将空穴型光子晶体阵列密封在酚醛树脂透明基材上，空穴型光子晶体阵列薄膜和密封层(双面胶)之间留有空气层，液体不可进入，得到密封式光子晶体光栅，将其分别放在空气中和水中观察不同角度的颜色变化。
实施例8
(1)采用溶剂热法制备粒径为260nm的四氧化三铁微球，将四氧化三铁微球、水、异丙醇混合后超声分散，制备含有四氧化三铁微球的分散液，四氧化三铁微球的浓度为10wt％，四氧化三铁微球、水、正丙醇的体积比为1:1:1；
(2)采用旋涂法在玻璃片上组装光子晶体阵列，微球的堆积层数为20层，挥干溶剂，得光子晶体光栅；
(3)采用透明胶将光子晶体阵列密封在玻璃培养皿中得到密封式光子晶体光栅，光子晶体阵列和密封层(透明胶)之间留有空气层，液体不可进入，将其分别放在空气中和水中观察不同角度的颜色变化。
应用例1
将实施例1中在培养皿中制备的光子晶体光栅通过紫外激光打标机(博伟激光设备有限公司，BW-VU-3W)加工成携带有网址信息的二维码图案，使该图案位于培养皿内底部，然后采用封口膜将培养皿密封防止液体进入培养皿。图7(a)为应用例1中的密封式光子晶体光栅二维码图案在空气中的数码照片，图7(b)为应用例1中的密封式光子晶体光栅二维码图案在水中不同角度显示不同颜色的数码照片，从左到右依次为红色、橙色、黄色、绿色、蓝色，如其所示，光子晶体光栅二维码图案在空气中透明，无法被智能手机识别出，放入水中后二维码图案立即显示出角度相关的结构色，隐藏的图案被显示出，可以通过智能手机扫描识别出二维码携带的网址内容，从而实现信息的加密-解密过程。通过入射度与角度相关结构色之间对应关系，可以实现安全性更高的双重加密效果。
应用例2
将实施例3中制备的单层空穴型光子晶体光栅薄膜采用透明胶固定在商用咖啡的白色字体上，防止液体进入薄膜与咖啡杯接触的部分。图8(a)为应用例2中的附着有空穴型光子晶体阵列薄膜的咖啡杯在空气中的数码照片，图8(b)为应用例2中附着有空穴型光子晶体阵列薄膜的咖啡杯部分浸入水中后光栅膜不同角度显示不同颜色的数码照片，从左到右依次为红色、蓝色，如其所示，由于光子晶体光栅薄膜在空气中透明，咖啡杯的外观不会被薄膜影响，当附着的密封式光子晶体光栅浸入水中后，立刻显示出角度相关的亮丽结构色，而没有薄膜附着的部分与空气中没有区别，因此可以利用这种透明-彩色转变设计商品的防伪标识，用于商品防伪。

Claims (9)

1.一种基于光传播介质变化即时响应的透明-彩色转变的密封式光子晶体光栅，其特征在于，所述密封式光子晶体光栅由透明基材、光子晶体阵列、空气层和密封层组成，光子晶体阵列和空气层被密封层密封在透明基材上，通过改变密封式光子晶体光栅所处介质种类实现透明-彩色的即时转变；当密封式光子晶体光栅所处的介质为空气时，显示透明，当密封式光子晶体光栅所处的介质为液体时，显示具有角度依存的彩色结构色；所述光子晶体阵列包括由微球组装而成的有序堆积微球型光子晶体阵列、由微球组装而成的无序堆积微球型光子晶体阵列和由微球作为模板经填充物填充、模板去除制备的空穴型光子晶体阵列。
2.根据权利要求1所述的密封式光子晶体光栅，其特征在于，所述由微球组装而成的有序堆积微球型光子晶体阵列中微球的排列方式包括六边形紧密堆积结构、立方紧密堆积结构和非紧密堆积结构中的一种；所述由微球组装而成的无序堆积微球型光子晶体阵列中的微球的排列方式为短程有序长程无序堆积结构。
3.根据权利要求1所述的密封式光子晶体光栅，其特征在于，光子晶体阵列中的微球为无机微球、有机微球和无机-有机复合微球中的一种、两种或两种以上，所述无机微球包括二氧化硅微球、二氧化钛微球、四氧化三铁微球，所述有机微球包括聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球；所述无机-有机复合微球包括二氧化硅包覆聚苯乙烯微球、二氧化钛包覆聚苯乙烯微球。
4.根据权利要求1所述的密封式光子晶体光栅，其特征在于，所述微球的粒径为50-500nm；堆积层数为大于等于1层。
5.根据权利要求1所述的密封式光子晶体光栅，其特征在于，所述空穴型光子晶体阵列的填充物为有机聚合物；所述有机聚合物为三丙烯酸酯类、双丙烯酸酯类、丙烯酸酯类、四(3-巯基丙酸)酯类、三(3-巯基丙酸)酯类、二(3-巯基丙酸)酯类、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、酚醛树脂中的一种、两种或两种以上。
6.根据权利要求1所述的密封式光子晶体光栅，其特征在于，所述透明基材为无机透明基材或有机透明基材，所述无机透明基材包括玻璃、透明陶瓷，所述有机透明基材包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸脂。
7.根据权利要求1所述的密封式光子晶体光栅，其特征在于，所述密封层包括封口膜、保鲜膜、双面胶、透明胶或粘性聚合物。
8.根据权利要求1所述的密封式光子晶体光栅，其特征在于，所述由微球组装而成的有序堆积微球型光子晶体阵列和由微球组装而成的无序堆积微球型光子晶体阵列的制备方法，包括以下步骤：
(1)将体积比为1:(1-3):(1-3)的微球、水、有机分散剂混合均匀，制备含有微球的分散液；所述微球在分散液中的浓度为0.1-20wt％，所述有机分散剂包括乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇；
(2)通过一定的组装方法在透明基材上组装有序堆积微球型光子晶体阵列或无序堆积微球型光子晶体阵列，挥干溶剂，得到组装有光子晶体阵列的透明基材；所述组装的方法包括气-液界面组装法、垂直沉积法、提拉法、喷涂法、旋涂法、刮涂法、滴涂法、L-B膜组装法、光刻蚀法、喷墨打印法；
(3)采用密封层将组装有光子晶体阵列的透明基材密封，光子晶体阵列和密封层之间留有空气层，阻止液体进入空气层和光子晶体阵列。
9.根据权利要求1所述的密封式光子晶体光栅，其特征在于，所述由微球作为模板经填充物填充、模板去除制备的空穴型光子晶体阵列的制备方法，包括以下步骤：
(1)将体积比为1:(1-3):(1-3)的微球、水、有机分散剂混合均匀，制备含有微球的分散液；所述微球在分散液中的浓度为0.1-20wt％，所述有机分散剂包括乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇；
(2)通过一定的组装方法在透明基材上组装光子晶体阵列，挥干溶剂，得到组装有光子晶体阵列的透明基材；所述组装的方法包括气-液界面组装法、垂直沉积法、提拉法、喷涂法、旋涂法、刮涂法、滴涂法、L-B膜组装法、光刻蚀法、喷墨打印法；
(3)将填充物的前驱液滴加在组装好的光子晶体阵列上，固化，采用刻蚀法除去光子晶体阵列中的微球，得到由有机聚合物和空气穴组成的空穴型光子晶体阵列薄膜；所述填充物的前驱液包括乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚乙二醇(200)双丙烯酸酯、聚乙二醇(400)双丙烯酸酯、聚乙二醇(600)双丙烯酸酯、聚乙二醇(1000)双丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、异氰酸酯、二甲基硅氧烷、聚乙烯醇中的一种、两种或两种以上；所述固化方式包括光固化和热固化；所述刻蚀方法包括酸刻蚀法、碱刻蚀法和溶剂刻蚀法；
(4)将空穴型光子晶体阵列薄膜取下，用密封层将空穴型光子晶体阵列薄膜密封在所要使用的基材上，空穴型光子晶体阵列薄膜和密封层之间留有空气层，阻止液体进入空气层和光子晶体阵列。
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