CN114317005A - 一种光子晶体材料在制备光驱动或温度驱动器件中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子晶体材料在制备光驱动或温度驱动器件中的应用，包括将所述光子晶体材料置于液相中的步骤。该应用提供了一种新的光子晶体材料的应用方法，将光子晶体材料更好的用于驱动器件中，以获得更加优异的驱动性能。
Description
技术领域
本发明涉及智能高分子材料领域。更具体地，涉及一种光子晶体材料在制备光驱动或温度驱动器件中的应用。
背景技术
近年来，基于智能材料的驱动器因其在软机器人、人工肌肉和能量发生器等领域的应用前景而备受关注。驱动器对外界刺激(如光、湿度、pH、热和电)的可逆变形可以成功地实现，从而完成特定的功能或能量转换。在各种刺激中，光是最强大、最通用的物理刺激之一，具有低成本、非接触、响应速度快等优点。因此，光控驱动器更适合实现精密复杂的驱动行为。含偶氮液晶弹性体是一种典型的光驱动器，偶氮类液晶分子的顺反式光异构化导致薄膜收缩或膨胀，从而产生各种复杂的仿生驱动，如弯曲、扭转、尺蠖行走、马达等。然而，大多数偶氮液晶驱动器只对光响应，且响应程度有限，这大大限制了多功能驱动器的实现。
单材料Janus驱动器因其制备简单、耐久性好等优点，近年来受到了广泛的关注。Janus结构的实现一般是通过在制备过程中引入不对称因素，如不对称的几何结构或不同化学性质的反应物。与驱动过程中易产生界面应力的双层驱动器相比，单层Janus驱动器通常具有更好的力学性能。将光子晶体结构作为Janus因素引入到驱动器中，以实现一些复杂的仿生驱动行为，如仿生蝶翼振动或自振荡发生器等。另外，光子晶体结构可以赋予所制备驱动器光学传感特性，提高其对外界刺激响应的灵敏性。
因此，需要研究如何将光子晶体材料更好的用于驱动器中，以获得更加优异的驱动性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光子晶体材料在制备光驱动或温度驱动器件中的应用，该应用提供了一种新的光子晶体材料的应用方法，将光子晶体材料更好的用于驱动器件中，以获得更加优异的驱动性能。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种光子晶体材料在制备光驱动或温度驱动器件中的应用，包括将所述光子晶体材料置于液相中的步骤。
进一步地，还包括将所述光子晶体材料置于液相中后，进行光照或升温的步骤。
进一步地，所述光子晶体材料为自支撑Janus光子晶体材料。
进一步地，所述光子晶体材料包括有薄膜层以及覆盖在薄膜层表面的光子晶体层，所述薄膜层和光子晶体层的材质都包括偶氮聚合物。
进一步地，所述光子晶体层具有反蛋白质多孔结构。
进一步地，所述液相选自水或有机溶剂。
进一步地，所述有机溶剂选自正己烷、四氯化碳、丙三醇、乙醇、丁酮、乙腈、甲苯、四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷中的一种或几种。
进一步地，所述光照的光为紫外光，光照的条件为：光强为30-120mW/cm2，优选为65mW/cm2。
进一步地，所述升温的条件为：升温速率为5-10℃/min。
进一步地，所述应用包括如下步骤：
将所述光子晶体材料置于液相中；
紫外光照或升温，所述光子晶体材料发生弯曲形变；
采用可见光照射或降温，所述光子晶体材料形变减小。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的应用中，将光子晶体材料置于液相中，处于液相中的光子晶体材料具有好的光、温度和溶剂多刺激响应。液相与光子晶体材料的相互作用实现了更优异的驱动性能(更大的驱动角度、更快的驱动速率)。基于优异的驱动性能，该光子晶体材料可以有效地将光能转变为了机械能：可以克服水/空气界面表面张力驱动；光/温度/液相协同作用下提拉液相中重物和平面膜自发转变三维圆环并持续滚动。此外，该光子晶体材料在液相/空气环境中可以实现驱动模式和方向的可逆转变。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例1-2制备的反蛋白石结构Janus偶氮光子晶体的扫描电镜图像和Janus偶氮光子晶体分别在空气中和溶剂中薄膜层或光子晶体层被紫外光照射时最大的驱动角度。
图2示出本发明实施例3中反蛋白石结构Janus偶氮光子晶体在溶剂中多刺激响应驱动行为。
图3示出本发明实施例3中反蛋白石结构Janus偶氮光子晶体在不同的溶剂中光刺激响应驱动行为。
图4示出本发明实施例3中反蛋白石结构Janus偶氮光子晶体在不同的溶剂中温度刺激响应驱动行为。
图5示出本发明实施例中的反蛋白石结构Janus偶氮光子晶体在甲苯/空气环境中驱动模式和方向的可逆转变。
图6示出本发明实施例5-7制备的反蛋白石结构Janus偶氮光子晶体克服水/空气界面表面张力驱动；光/温度/溶剂协同作用下提拉液相中重物和平面膜自发转变三维圆环并持续滚动。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的实施方式提供一种光子晶体材料在制备光驱动或温度驱动器件中的应用，该应用方法包括将所述光子晶体材料置于液相中的步骤。
在一个优选示例中，该应用还包括将所述光子晶体材料置于液相中后，进行光照或升温的步骤。所述光照的光优选为紫外光，光照的条件为：光强为30-120mW/cm2，优选为65mW/cm2。所述升温的条件优选为：升温速率为5-10℃/min。
本实施方式中提供了光子晶体材料的一种新的应用方法，通过该方法，实现了该光子晶体材料具有相对于在空气中更好的光驱动或温度驱动效果。
在一个优选示例中，本发明中适用的光子晶体材料优选为自支撑Janus光子晶体材料。该光子晶体材料的结构中包含薄膜层以及覆盖在薄膜层表面的光子晶体层，所述薄膜层和光子晶体层的材质都包括偶氮聚合物。在具体的实施方式中，所述光子晶体层具有反蛋白石结构，该反蛋白石结构包括周期性排列的微纳米级凹坑阵列结构。
上述包含有偶氮聚合物的光子晶体材料在液相中实现了Janus光子晶体材料的溶剂/温度/光多刺激响应驱动行为。在液相/空气环境中，Janus光子晶体材料可以实现驱动模式和方向的可逆转变。具体地：光子晶体材料在空气中是光化学驱动模式，当用紫外光照射薄膜层时，光子晶体材料层朝向光源弯曲；将光子晶体材料放置于液相中是光热驱动模式，当用紫外光照射薄膜层时，光子晶体材料层朝向(液相非甲苯)或远离(液相为甲苯)光源弯曲。以上的两种情况是可以相互多次的转变。该光子晶体材料可以克服水/空气界面表面张力驱动或光/温度/溶剂协同作用下提拉液相中重物、平面膜自发转变三维圆环并持续滚动，有效地将光能转变为了机械能。
液相驱动环境具有溶剂性质可变、温度变化均匀、易于控制等优点。与空气环境相比，液相环境中光驱动研究更为复杂，涉及体系的粘度、温度、极性、表面张力和溶剂-材料相互作用等多个影响因素。可以推测，由于液相环境对驱动的粘性阻力，许多在空气中容易实现的驱动行为在液相环境中很难实现。但由于溶剂会影响液晶弹性体的弹塑性，这也会在液相环境中产生独特的驱动行为。本发明中选择的特定的液相驱动环境使得包含偶氮聚合物类光子晶体材料具有更好的驱动性能。同时，还适用于光照或高温等复杂环境。
适用于本发明的液相优选为水或有机溶剂。示例性的有机溶剂包括但不限于正己烷、四氯化碳、丙三醇、乙醇、丁酮、乙腈、甲苯、四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷中的一种或几种。本发明中的光子晶体材料置于前述这些液相中后，不做进一步的处理即可发生驱动变形，或进行光照处理或变温处理后，会发生可逆的驱动变形，且驱动变形角度更大、速率更快。
优选地，所述有机溶剂为对Janus光子晶体材料聚合物没有溶解和弱渗透性能的溶剂，如正己烷、四氯化碳、丙三醇、乙醇、丁酮、乙腈等。这些溶剂在光照或升温均可以使光子晶体材料发生驱动变形。
优选地，所述有机溶剂为对Janus光子晶体材料聚合物没有溶解，但强渗透性能的溶剂，如甲苯等。此时，将所述光子晶体材料置于甲苯中后，进行光照或升温均能获得相对更优的更驱动性能(更大的驱动角度、更快的驱动速率等)。将光子晶体材料放置于甲苯中是光热驱动模式，当用紫外光照射该光子晶体材料的薄膜层时，光子晶体材料远离光源弯曲。通常情况下，薄膜层分子是取向的，所以朝向光源弯曲；光子晶体层分子是不取向的，所以远离光源弯曲。但是甲苯比较特别，甲苯分子可以很好的渗透到光子晶体材料聚合物网络中，由于甲苯分子的渗透，使原先薄膜层良好的分子取向被打乱，即在甲苯溶剂中，薄膜层中的分子是不取向的，故在甲苯中照射光子晶体材料薄膜层时，光子晶体材料远离光源弯曲。
优选地，所述有机溶剂为对Janus光子晶体材料聚合物强溶解和强渗透性能的溶剂，如四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷等。此时，将所述光子晶体材料置于液相中后，无需进行光照或升温即可获得很好的驱动性能。当光子晶体材料放置于四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷溶剂中时，就会发生很快的驱动行为，无需光照或升温。而且溶剂驱动方向和光或温度刺激下不一定一样。如将该光子晶体材料放置于四氢呋喃中，光子晶体材料朝薄膜层弯曲；放置于三氯甲烷中，该光子晶体材料朝光子晶体层弯曲；放置于二氯甲烷中，先光子晶体层后迅速地转向薄膜层弯曲。
需要说明的是，本发明提供的自支撑Janus光子晶体材料中的薄膜层和光子晶体层可以是分开制成，再将将两者粘结成为光子晶体材料；也可以是光子晶体层在薄膜层表面原位形成，只要是以偶氮聚合物为原料制备得到的包括了薄膜层和光子晶体层的光子晶体材料都在本发明的保护范围内。
在一些具体的示例中，所述偶氮聚合物选自芳香族偶氮聚合物或脂肪族偶氮化合物。在本发明中，薄膜层的材质与光子晶体层的材质可以是相同的偶氮聚合物，亦可以是不同的偶氮聚合物。
在优选的示例中，光子晶体层是在薄膜层表面原位形成的，所述原位形成包括牺牲光子晶体模板法和光刻法。对于牺牲光子晶体模板法，在制备过程中以二氧化硅微球为原料采用竖直沉积法组装光子晶体模板，并以其和具有聚酰亚胺取向层的玻璃片组成液晶盒，然后将制备薄膜层的偶氮聚合物和制备光子晶体层的偶氮聚合物依次加入液晶盒内。光子晶体层在薄膜层表面原位形成，层间的结合力较强，得到的光子晶体材料的耐损坏性能强。
在具体的实施方式中，所述光子晶体层具有反蛋白石结构，该反蛋白石结构包括周期性排列的微纳米级凹坑阵列结构。以二氧化硅微球为原料采用竖直沉积法组装光子晶体模板，向模板中加入形成光子晶体层的偶氮聚合物，偶氮聚合物填充在二氧化硅微球的间隙内，光照聚合反应后，偶氮聚合物稳定后，将光子晶体模板上的二氧化硅微球除去，得到规则排列的球形空气孔，即微纳米级凹坑阵列结构。
当然，本领域技术人员可以根据需要，在制备光子晶体层时，不除去二氧化硅微球，将二氧化硅微球作为微纳米级凹坑的填充材料；亦可以在将二氧化硅微球去除后，再在微纳米级凹坑中添加其他材料。可以理解的是，这类技术方案的改进不需要创造性劳动，都在本发明的保护范围之内。
本发明提供的光子晶体层包括的周期性排列的微纳米级凹坑阵列结构，是通过将光子晶体模板上的二氧化硅微球去除掉得到的，因此，凹坑结构的径向尺寸是由二氧化硅微球的粒径决定的，而相邻凹坑间的间距则是由二氧化硅微球之间的间隙决定的。
在优选的实施方式中，所述二氧化硅微球的粒径范围为150-300nm，利用该粒径范围的二氧化硅微球可以组装成可见光范围内不同带隙的光子晶体膜，从而制备不同带隙的反蛋白石结构Janus光子晶体层，微球的粒径过大或是过小，不仅难于组装，也会造成组装的光子晶体膜的带隙不合适。因此，本发明提供的光子晶体材料中，所述微纳米级凹坑结构的径向尺寸为150-300nm，所述相邻凹坑间距为10-50nm。
进一步地，例如，所述微纳米级凹坑结构的径向尺寸还可以为但不限于160-290nm、170-280nm、180-270nm、190-260nm、200-250nm或210-240nm等；所述相邻凹坑间距还可以为但不限于12-45nm、14-40nm、16-35nm、18-30nm或20-25nm等。
在具体的实施过程中，形成光子晶体模板的二氧化硅微球表面具有羧基，具有羧基的二氧化硅微球在组装过程中，更有利于紧密的排列，从而形成质量更好的光子晶体膜板。所述表面具有羧基的二氧化硅微球的制备主要采取正硅酸乙酯在碱性环境中水解的方法，具体制备方法为：
将1-2体积份去离子水和19-22体积份的乙醇加入圆底烧瓶中，搅拌并使体系恒定28-35℃之间。然后加入0.5-1.5体积份的氨水，得到预反应体系。量取2-2.5体积份的乙醇和1-1.8体积份的正硅酸乙酯混合液，预热至28-35℃，随后将其加入预反应体系中。搅拌反应5-15小时，即可制备得到表面有羧基二氧化硅微球。
在具体的实施方式中，所述薄膜层的厚度为10-50um，所述光子晶体层的厚度为5-20um。
进一步地，例如，所述薄膜层的厚度还可以为但不限于12-45um、14-40um、16-35um、18-30um或20-25um等；所述光子晶体层的厚度还可以为但不限于6-19um、7-18um、8-17um、9-16um、或10-15um等。
在制备过程中，可以通过调控组装光子晶体模板的二氧化硅的乙醇悬浊液的浓液来控制光子晶体层的厚度，可以通过改变液晶盒的间隔垫的厚度来控制薄膜层的厚度。
在具体的实施方式中，由于光子晶体层包括周期性排列的微纳米级凹坑阵列结构的反蛋白石结构，因此薄膜层的粗糙度小于所述光子晶体层的粗糙度。
本实施方式中，还提供所述光子晶体材料的制备方法，包括形成薄膜层，形成光子晶体层以及将光子晶体层覆盖至薄膜层的步骤。在具体的实施过程中，可以分别制备薄膜层和光子晶体层，然后将光子晶体层粘贴覆盖在薄膜层表面得到光子晶体材料；亦可以在薄膜层表面通过牺牲光子晶体模板法或光刻法原位形成光子晶体层，本发明对此不作规定。
示例性的，本发明在此处提供一种通过在薄膜层表面通过牺牲光子晶体模板法原位形成光子晶体层，来制备光子晶体材料的方法，具体制备过程包括：
1)将二氧化硅微球通过竖直沉积法在真空干燥箱中组装成光子晶体模板；
2)将光子晶体模板用等离子体技术处理20-120s；
3)用等离子体处理过的光子晶体模板和具有聚酰亚胺取向层的玻璃片组装成液晶盒；
4)将偶氮聚合物单体和光引发剂784的混合体系在110℃下灌入液晶盒，随后使体系降温至88℃；
5)用1.5-3.5mw/cm2 550nm的光照聚合1.5-3小时；
6)用质量分数为4％的氢氟酸浸泡溶解光子晶体模板，得到不同带隙的自支撑Janus光子晶体材料。
在优选的实施方式中，偶氮聚合物单体选自芳香族偶氮化合物或脂肪族偶氮化合物中的一种或多种。优选地，混合体系中光引发剂的物质的量与总的偶氮聚合物单体的物质的量之比为：1-10:100。
在优选的实施方式中，步骤1)中，竖直沉积法组装光子晶体膜的具体过程为：将二氧化硅分散液加乙醇稀释到半透明，然后将超亲水固体基材竖直放置于二氧化硅分散液中，30-50℃下恒温，至分散液完全蒸发，二氧化硅微球即可在固体基材表面自组装成光子晶体膜。
进一步地，所述固体基材选自普通玻璃、石英片或者硅片。利用超亲水固体基材，有利于二氧化硅微球在其表面组装成高质量的光子晶体膜。选用质量分数为4％的氢氟酸，既保证了较快的溶解二氧化硅微球的速率，又可以避免对偶氮聚合物网络造成破坏。
本实施方式的应用中，包含偶氮聚合物的光子晶体材料在上述液相中后，在不做处理或紫外光照射或升温条件下，该光子晶体材料会发生相对于在空气中更好的驱动响应。具体地，当处于紫外光照射下，位于溶剂(非甲苯溶剂)中该光子晶体材料向薄膜层方向发生弯曲形变；再用可见光照射时，该光子晶体材料的弯曲形变逐渐减小至回复原样。甲苯溶剂中则相反。也即，通过紫外光照射和可见光照射的改变，实现驱动方向的可逆转变。
将光子晶体材料放置于溶剂中，在不加热也不光照的条件下，如四氢呋喃中光子晶体材料朝薄膜层弯曲；三氯甲烷中光子晶体材料朝光子晶体层弯曲；二氯甲烷中先光子晶体层后迅速地转向薄膜层弯曲。接着将光子晶体材料放置于空气中，待溶剂挥发后，光子晶体材料的弯曲形变逐渐减小至回复原样。
在升温条件下，光子晶体材料朝向薄膜层弯曲，降温或将光子晶体材料放置于空气中，光子晶体材料的弯曲形变逐渐减小至回复原样。
在一个优选示例中，所述光驱动或温度驱动器件为光控开关、光探测装置或光控微型机器人等。
在具体的实施过程中，由本发明提供的光子晶体材料制备的光驱动材料可将光能转化为机械能。可以克服水/空气界面表面张力驱动；光/温度/溶剂协同作用下提拉液相中重物和平面膜自发转变三维圆环并持续滚动。
下文将通过举例的方式对本发明进行进一步的说明，但是本发明的保护范围不限于这些实施例。
需要说明的是，在本发明实施例中A6AB6指的是
DA6AB指的是
A11AB6指的是
C3A指的是
实施例1
自支撑Janus光子晶体材料的制备
表面具有羧基的二氧化硅微球的制备
将1.5体积份去离子水和20.5体积份的乙醇加入圆底烧瓶中，搅拌并使体系恒定30℃之间。然后加入1体积份的氨水，得到预反应体系。量取2.3体积份的乙醇和1.4体积份的正硅酸乙酯混合液，预热至30℃，随后将其加入预反应体系中。搅拌反应8小时，即可制备得到表面有羧基二氧化硅微球。
光子晶体模板的制备
将250nm二氧化硅分散液加乙醇稀释到半透明，然后将超亲水固体基材竖直放置于二氧化硅分散液中，40℃下恒温，至分散液完全蒸发，二氧化硅微球即可在固体基材表面自组装成带隙在630nm左右的光子晶体模板。
自支撑Janus光子晶体材料的制备
(1)将制得的带隙在630nm光子晶体模板用等离子体技术处理60s；(2)用等离子体处理过的光子晶体模板和具有聚酰亚胺取向层的玻璃片组装成液晶盒；(3)将A6AB6/DA6AB(摩尔比7：3)和光引发剂784的混合体系在110℃下灌入液晶盒，随后使体系降温至88℃；(4)用2mw/cm2 550nm的光照聚合2小时；(5)用质量分数为4％的氢氟酸浸泡溶解光子晶体模板，得到自支撑Janus光子晶体材料。
自支撑Janus光子晶体材料的扫描电镜结果
将得到的自支撑Janus光子晶体材料进行扫描电镜测试，如图1左半部分所示，可以发现，光子晶体材料的总厚度为42.4um，其中薄膜层厚度为30.8um，光子晶体层的厚度为11.6um，光子晶体层上的凹坑结构的径向尺寸为290nm，相邻凹坑间距为15nm。
实施例2
溶剂中的优异驱动性能
研究实施例1制备得到的自支撑Janus光子晶体材料在溶剂中光驱动下的优异光学性能，如图1所示。当Janus光子晶体材料在空气中薄膜层/光子晶体层分别被紫外光照(65mW/cm2)时，驱动角度/速率分别为65.2°，16.3°/s和20.8°，20.8°/s。在相同的光照条件下，当Janus光子晶体材料在溶剂乙腈中薄膜层/光子晶体层分别被紫外光照时，驱动角度/速率分别为187.6°，46.9°/s和808.8°，57.8°/s。驱动性能得到了极大的提升。主要原因是溶剂和偶氮聚合物之间的相互作用在一定程度上改变了光子晶体材料的弹性和塑性等参数。
实施例3
溶剂中的多刺激响应驱动行为
研究实施例1制备得到的自支撑Janus光子晶体材料在不同溶剂中呈现溶剂/温度/光多刺激响应驱动行为，如图2所示。溶剂响应驱动：在某些特定的溶剂中(三氯甲烷、四氢呋喃)，膜浸泡在溶剂中会自动发生驱动行为，溶剂挥发后恢复之前平整的状态。膜弯曲的方向和溶剂的种类密切相关。在三氯甲烷中膜朝向光子晶体层弯曲，而在四氢呋喃中膜朝向薄膜层弯曲。热响应驱动：随着溶剂(如乙腈)温度的升高，膜逐渐由光子晶体侧向纯聚合物侧弯曲，随后降低温度，膜恢复之前平整的状态。值得注意的是，膜的光响应、热响应驱动的性能(驱动角度，速率等)均可以被溶剂种类有效地调控。光响应驱动：当薄膜层被紫外光(65mW/cm2)照射时，膜逐渐朝向光源弯曲，而当光子晶体侧被紫外光(65mW/cm2)照射时，膜立刻远离光源弯曲。两种情况下均需要可见光(65mW/cm2)的照射才能使膜恢复之前平整的状态。
进一步地，将实施例1中制备得到的光子晶体材料竖直地放入不同的溶剂中(左边是薄膜层，右边是光子晶体层)，分别用紫外光(65mW/cm2)照射光子晶体材料的薄膜层和光子晶体层并记录光子晶体材料在不同溶剂中最大的驱动角和对应的驱动速率，结果如图3所示。
进一步地，将实施例1中制备得到的光子晶体材料竖直地放入不同的溶剂中(左边是薄膜层，右边是光子晶体层)，并按升温速率为5-10℃/min逐渐升温(低于相应溶剂的沸点)，记录光子晶体材料在不同溶剂中最大的驱动角和对应的温度，结果如图4所示。
实施例4
甲苯/空气中驱动模式和方向的可逆转变
研究实施例1制备得到的自支撑Janus光子晶体材料在甲苯中呈现驱动模式和方向的可逆转变，如图5所示。将光子晶体材料放置于甲苯中，并立刻用紫外光(65mW/cm2)照射薄膜层，膜逐渐沿着纵轴朝向光源弯曲，随后照射可见光(65mW/cm2)膜恢复之前平整的状态(图5中，5-I)。该状态下是光化学驱动模式。将该膜继续在甲苯中浸泡5分钟，并用紫外光(65mW/cm2)照射薄膜层，膜逐渐沿着横轴远离光源弯曲，随后照射可见光(65mW/cm2)膜恢复之前平整的状态(图5中，5-II)。该状态下是光热驱动模式。接着，将该膜置于空气中并等甲苯完全挥发。用紫外光(65mW/cm2)照射薄膜层，膜逐渐沿着纵轴朝向光源弯曲，随后照射可见光(65mW/cm2)膜恢复之前平整的状态(图5中，5-III)。该状态下是光化学驱动模式。随着驱动环境在甲苯和空气中转变，光子晶体材料可以实现驱动模式和方向的可逆转变(图5中，5-IV,V)。
实施例5
水/空气界面处驱动
研究实施例1制备得到的自支撑Janus光子晶体材料在水/空气界面处克服水大的表面张力驱动，如图6中6-I所示。将光子晶体材料放置于水/空气界面处并使薄膜层朝上。当用紫外光(65mW/cm2)从上侧照射薄膜层时，膜并不会驱动。当用紫外光(65mW/cm2)从下侧溶剂中照射光子晶体层时，膜并不会驱动。当用紫外光(65mW/cm2)同时从上侧照射薄膜层和下侧溶剂中照射光子晶体层时，膜会朝向空气中驱动。两侧同时照射紫外光产生的协同力作用可以赋予光子晶体材料更大的驱动力，为其在复杂环境中的驱动提供了可能。
实施例6
提拉溶剂中的重物
研究实施例1制备得到的自支撑Janus光子晶体材料可以提拉溶剂(乙醇)中的重物，如图6中6-II所示。将铝箔环(7.5mg)放置在溶剂底部，用紫外光(65mW/cm2)照射光子晶体材料(0.6mg)的薄膜层，膜在朝向光源弯曲的过程中逐渐提拉起重物1.0cm，该应用成功将光能转换为机械能。
实施例7
光/温度/溶剂协同作用下平面膜自发转变三维圆环并持续滚动
研究实施例1制备得到的自支撑Janus光子晶体材料可以在光/温度/溶剂协同作用下平面膜自发转变三维圆环并持续滚动，如图6中6-III所示。溶剂在一定程度上改变了膜的弹性和塑性等因素，使其更加容易从平面膜转变程三维圆环。同时40℃温度使膜有向聚合物侧弯曲的趋势，也促进了平面膜转变程三维圆环。最后，通过紫外光照引发整个过程。具体步骤如下：将光子晶体材料放置于溶剂(乙醇)底部并使薄膜层朝上，用紫外光(100mW/cm2)照射薄膜层，膜在2s内转变成圆环并在10s向前滚动18mm(图6中6-III，左)。作为对比，将光子晶体材料放置于溶剂(乙醇)底部并使光子晶体层朝上，用紫外光(100mW/cm2)照射光子晶体层，膜在4s内转变成圆环并在10s向前滚动25mm(图6中6-III，右)。光子晶体材料的多刺激响应为实现复杂的仿生驱动行为提供了潜在的可能性。
实施例8
自支撑Janus光子晶体材料的制备
表面具有羧基的二氧化硅微球的制备
将1体积份去离子水和19体积份的乙醇加入圆底烧瓶中，搅拌并使体系恒定28℃之间。然后加入0.5体积份的氨水，得到预反应体系。量取2体积份的乙醇和1体积份的正硅酸乙酯混合液，预热至28℃，随后将其加入预反应体系中。搅拌反应5小时，即可制备得到表面有羧基二氧化硅微球。
光子晶体模板的制备
将250nm二氧化硅分散液加乙醇稀释到半透明，然后将超亲水固体基材竖直放置于二氧化硅分散液中，30℃下恒温，至分散液完全蒸发，二氧化硅微球即可在固体基材表面自组装成带隙在630nm左右的光子晶体模板。
自支撑Janus光子晶体材料的制备
(1)将带隙在630nm光子晶体模板用等离子体技术处理20s；(2)用等离子体处理过的光子晶体模板和具有聚酰亚胺取向层的玻璃片组装成液晶盒；(3)将A6AB6/DA6AB(摩尔比9：1)和光引发剂784的混合体系在110℃下灌入液晶盒，随后使体系降温至88℃；(4)用1.5mw/cm2 550nm的光照聚合1.5小时；(5)用质量分数为4％的氢氟酸浸泡溶解光子晶体模板，得到不同带隙的自支撑Janus光子晶体材料。所制备的光子晶体材料在紫外光(65mW/cm2)照射下，薄膜层/光子晶体层的驱动角度分别为208.6°和860.5°。
实施例9
薄膜层和光子晶体层粘贴制得光子晶体材料
表面具有羧基的二氧化硅微球的制备
将1体积份去离子水和19体积份的乙醇加入圆底烧瓶中，搅拌并使体系恒定28℃之间。然后加入0.5体积份的氨水，得到预反应体系。量取2体积份的乙醇和1体积份的正硅酸乙酯混合液，预热至28℃，随后将其加入预反应体系中。搅拌反应5小时，即可制备得到表面有羧基二氧化硅微球。
光子晶体模板的制备
将250nm二氧化硅分散液加乙醇稀释到半透明，然后将超亲水固体基材竖直放置于二氧化硅分散液中，30℃下恒温，至分散液完全蒸发，二氧化硅微球即可在固体基材表面自组装成带隙在630nm左右的光子晶体模板。
光子晶体层的制备
(1)将带隙在630nm光子晶体模板用等离子体技术处理20s；(2)将A6AB6/DA6AB(摩尔比5：5)和光引发剂784的混合体系在110℃下均匀地滴加到光子晶体模板表面,随后使体系降温至88℃；(3)用1.5mw/cm2 550nm的光照聚合1.5小时；(4)用质量分数为4％的氢氟酸浸泡溶解光子晶体模板，得到不同带隙的自支撑偶氮聚合物光子晶体材料。
薄膜层的制备
(1)用具有聚酰亚胺取向层的两片玻璃片组装成液晶盒；(2)将A6AB6/DA6AB(摩尔比5：5)和光引发剂784的混合体系在110℃下灌入液晶盒，随后使体系降温至88℃；(3)用1.5mw/cm2 550nm的光照聚合1.5小时，得到自支撑偶氮聚合物材料。
自支撑Janus光子晶体材料的制备
将不同带隙的光子晶体层和薄膜层通过热压的方式粘连在一起，得到不同带隙的自支撑Janus光子晶体材料。
所制备的光子晶体材料在紫外光(65mW/cm2)照射下，薄膜层/光子晶体层的驱动角度分别为162.2°和695.7°。
实施例10
形成光子晶体层和薄膜层的偶氮聚合物不一致的光子晶体材料的制备
表面具有羧基的二氧化硅微球的制备
将1体积份去离子水和19体积份的乙醇加入圆底烧瓶中，搅拌并使体系恒定28℃之间。然后加入0.5体积份的氨水，得到预反应体系。量取2体积份的乙醇和1体积份的正硅酸乙酯混合液，预热至28℃，随后将其加入预反应体系中。搅拌反应5小时，即可制备得到表面有羧基二氧化硅微球。
光子晶体模板的制备
将250nm二氧化硅分散液加乙醇稀释到半透明，然后将超亲水固体基材竖直放置于二氧化硅分散液中，30℃下恒温，至分散液完全蒸发，二氧化硅微球即可在固体基材表面自组装成带隙在630nm左右的光子晶体模板。
光子晶体层的制备
(1)将带隙在630nm光子晶体模板用等离子体技术处理20s；(2)将A6AB6/DA6AB(摩尔比5：5)和光引发剂784的混合体系在110℃下均匀地滴加到光子晶体模板表面,随后使体系降温至88℃；(3)用1.5mw/cm2 550nm的光照聚合1.5小时；(4)用质量分数为4％的氢氟酸浸泡溶解光子晶体模板，得到不同带隙的自支撑偶氮聚合物光子晶体层。
薄膜层的制备
(1)用具有聚酰亚胺取向层的两片玻璃片组装成液晶盒；(2)将A11AB6/C3A(摩尔比5：5)和光引发剂784的混合体系在110℃下灌入液晶盒，随后使体系降温至88℃；(3)用1.5mw/cm2 550nm的光照聚合1.5小时，得到自支撑偶氮聚合物材料。
自支撑Janus光子晶体材料的制备
将不同带隙的自支撑偶氮聚合物光子晶体材料和自支撑偶氮聚合物材料通过热压的方式粘连在一起，得到不同带隙的自支撑Janus光子晶体材料。
所制备的光子晶体材料在紫外光(65mW/cm2)照射下，薄膜层/光子晶体层的驱动角度分别为151.3°和589.2°。
实施例11
光子晶体层填充有二氧化硅微球的光子晶体材料的制备
表面具有羧基的二氧化硅微球的制备
将1体积份去离子水和19体积份的乙醇加入圆底烧瓶中，搅拌并使体系恒定28℃之间。然后加入0.5体积份的氨水，得到预反应体系。量取2体积份的乙醇和1体积份的正硅酸乙酯混合液，预热至28℃，随后将其加入预反应体系中。搅拌反应5小时，即可制备得到表面有羧基二氧化硅微球。
光子晶体模板的制备
将250nm二氧化硅分散液加乙醇稀释到半透明，然后将超亲水固体基材竖直放置于二氧化硅分散液中，30℃下恒温，至分散液完全蒸发，二氧化硅微球即可在固体基材表面自组装成带隙在630nm左右的光子晶体模板。
自支撑Janus光子晶体材料的制备
(1)将带隙在630nm光子晶体模板用等离子体技术处理20s；(2)用等离子体处理过的光子晶体模板和具有聚酰亚胺取向层的玻璃片组装成液晶盒；(3)将A6AB6/DA6AB(摩尔比9：1)和光引发剂784的混合体系在110℃下灌入液晶盒，随后使体系降温至88℃；(4)用1.5mw/cm2 550nm的光照聚合1.5小时，得到不同带隙的自支撑Janus光子晶体材料。
所制备的光子晶体材料在紫外光(65mW/cm2)照射下，薄膜层/光子晶体层的驱动角度分别为153.9°和727.6°。
实施例12-14
自支撑Janus光子晶体材料的制备
表面具有羧基的二氧化硅微球的制备
将1体积份去离子水和19体积份的乙醇加入圆底烧瓶中，搅拌并使体系恒定28℃之间。然后加入0.5体积份的氨水，得到预反应体系。量取2体积份的乙醇和1体积份的正硅酸乙酯混合液，预热至28℃，随后将其加入预反应体系中。搅拌反应5小时，即可制备得到表面有羧基二氧化硅微球。
光子晶体模板的制备
将250nm二氧化硅分散液加乙醇稀释到重量分数分别为0.5、1.0和2.0wt％，然后将超亲水固体基材竖直放置于二氧化硅分散液中，30℃下恒温，至分散液完全蒸发，二氧化硅微球即可在固体基材表面自组装成带隙在630nm左右，厚度分别为5、10和20um的光子晶体模板。
自支撑Janus光子晶体材料的制备
(1)将带隙在630nm、厚度分别为5、10和20um的光子晶体模板用等离子体技术处理20s；(2)用等离子体处理过的光子晶体模板和具有聚酰亚胺取向层的玻璃片组装成液晶盒；(3)将A6AB6/DA6AB(摩尔比9：1)和光引发剂784的混合体系在110℃下灌入液晶盒，随后使体系降温至88℃；(4)用1.5mw/cm2 550nm的光照聚合1.5小时，得到不同带隙的、薄膜层厚度一定、光子晶体层厚度分别为5、10和20um的自支撑Janus光子晶体材料。
所制备的光子晶体材料(10um)在紫外光(65mW/cm2)照射下，薄膜层/光子晶体层的驱动角度分别为174.1°和785.9°。
实施例15-17
自支撑Janus光子晶体材料的制备
表面具有羧基的二氧化硅微球的制备
将1体积份去离子水和19体积份的乙醇加入圆底烧瓶中，搅拌并使体系恒定28℃之间。然后加入0.5体积份的氨水，得到预反应体系。量取2体积份的乙醇和1体积份的正硅酸乙酯混合液，预热至28℃，随后将其加入预反应体系中。搅拌反应5小时，即可制备得到表面有羧基二氧化硅微球。
光子晶体模板的制备
将250nm二氧化硅分散液加乙醇稀释到半透明，然后将超亲水固体基材竖直放置于二氧化硅分散液中，30℃下恒温，至分散液完全蒸发，二氧化硅微球即可在固体基材表面自组装成带隙在630nm左右的光子晶体模板。
自支撑Janus光子晶体材料的制备
(1)将带隙在630nm光子晶体模板用等离子体技术处理20s；(2)用等离子体处理过的光子晶体模板和具有聚酰亚胺取向层的玻璃片组装成液晶盒，其中间隔垫的厚度分别为10、20和50um；(3)将A6AB6/DA6AB(摩尔比9：1)和引发剂784的混合体系在110℃下灌入液晶盒，随后使体系降温至88℃；(4)用1.5mw/cm2 550nm的光照聚合1.5小时，得到不同带隙的、光子晶体层厚度一定，薄膜层厚度分别为10、20和50um自支撑Janus光子晶体材料。
所制备的光子晶体材料(10um)在紫外光(65mW/cm2)照射下，薄膜层/光子晶体层的驱动角度分别为197.3°和662.5°。
实施例18-20
自支撑Janus光子晶体材料的制备
表面具有羧基的二氧化硅微球的制备
将1体积份去离子水和19体积份的乙醇加入圆底烧瓶中，搅拌并使体系恒定28-30℃之间。然后加入0.5体积份的氨水，得到预反应体系。量取2体积份的乙醇和1体积份的正硅酸乙酯混合液，预热至28-30℃，随后将其加入预反应体系中。搅拌反应5小时，即可制备得到表面有羧基、粒径为250、280和300nm二氧化硅微球。
光子晶体模板的制备
将粒径分别为250、280和300nm二氧化硅分散液加乙醇稀释到半透明，然后将超亲水固体基材竖直放置于二氧化硅分散液中，30℃下恒温，至分散液完全蒸发，二氧化硅微球即可在固体基材表面自组装成带隙在630、700和750nm左右的光子晶体模板。
自支撑Janus光子晶体材料的制备
(1)将带隙在630、700和750nm光子晶体模板用等离子体技术处理20s；(2)用等离子体处理过的光子晶体模板和具有聚酰亚胺取向层的玻璃片组装成液晶盒；(3)将A6AB6/DA6AB(摩尔比9：1)和光引发剂784的混合体系在110℃下灌入液晶盒，随后使体系降温至88℃；(4)用1.5mw/cm2 550nm的光照聚合1.5小时，得到不同带隙、光子晶体层孔径分别为230、250和285nm的自支撑Janus光子晶体材料。
所制备的光子晶体材料(250nm)在紫外光(65mW/cm2)照射下，薄膜层/光子晶体层的驱动角度分别为161.2°和719.1°。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种光子晶体材料在制备光驱动或温度驱动器件中的应用，其特征在于，包括将所述光子晶体材料置于液相中的步骤。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，还包括将所述光子晶体材料置于液相中后，进行光照或升温的步骤。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述光子晶体材料为自支撑Janus光子晶体材料。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述光子晶体材料包括有薄膜层以及覆盖在薄膜层表面的光子晶体层，所述薄膜层和光子晶体层的材质都包括偶氮聚合物。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述光子晶体层具有反蛋白质多孔结构。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述液相选自水或有机溶剂。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述有机溶剂选自正己烷、四氯化碳、丙三醇、乙醇、丁酮、乙腈、甲苯、四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷中的一种或几种。
8.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述光照的光为紫外光，光照的条件为：光强为30-120mW/cm2。
9.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述升温的条件为：升温速率为5-10℃/min。
10.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述应用包括如下步骤：
将所述光子晶体材料置于液相中；
紫外光照或升温，所述光子晶体材料发生弯曲形变；
采用可见光照射或降温，所述光子晶体材料形变减小。
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| CN114833831A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-08-02 | 西湖大学 | 一种光驱动人工肌肉自持续波动的方法、系统及应用 |
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| CN105504318A (zh) * | 2015-12-04 | 2016-04-20 | 北京科技大学 | 一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料及其制备方法 |
| CN105525343A (zh) * | 2015-12-18 | 2016-04-27 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种蛋白石结构或反蛋白石结构碳点光子晶体的制备方法及应用 |
| CN109853040A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-06-07 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种自支撑Janus光子晶体材料及其制备方法和应用 |
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