頭足類生物的皮膚內(nèi)有反射板以周期性排列在一起形成生物光子納米結(jié)構(gòu)，這種超微結(jié)構(gòu)與入射光發(fā)生物理作用，反射特定光波，在視覺上呈現(xiàn)虹彩結(jié)構(gòu)色，在其隱身能力中發(fā)揮了重要作用。這些頭足類海洋生物能夠根據(jù)行為、環(huán)境在幾秒到幾分鐘之內(nèi)改變反射板的折射率和板厚（即晶格間距），控制自身顏色的變換。通過模擬這種結(jié)構(gòu)，牛文斌教授等人開發(fā)出了一種兼具光學(xué)和電學(xué)雙信號(hào)同步輸出的多功能仿生變色離子皮膚（CIskin），實(shí)現(xiàn)了包括拉伸、壓力、溫度、紅外光在內(nèi)的四重外部刺激的可視化感知。與目前已報(bào)道的仿生電子皮膚相比，該CIskin不僅展現(xiàn)出快速的電學(xué)/變色同步響應(yīng)特性，特別是實(shí)現(xiàn)了對(duì)外部刺激空間分布的可視化，突破了柔性電子學(xué)器件難以直接可視化交互的瓶頸，為新興柔性電子學(xué)的發(fā)展提供了新思路。研究成果以題為“Cephalopod-Inspired Chromotropic Ionic Skinwith Rapid Visual Sensing Capabilities to Multiple Stimuli”發(fā)表在ACS Nano (2021, DOI:10.1021/acsnano.1c00181）上。

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將仿生光子晶體結(jié)構(gòu)色與織物結(jié)合，是構(gòu)建可穿戴織物材料、推動(dòng)結(jié)構(gòu)色材料實(shí)用化的有效途徑。因此，團(tuán)隊(duì)利用光子晶體帶隙和氫鍵之間的協(xié)同作用，首先將三維光子晶體結(jié)構(gòu)固定在氫鍵型超分子彈性體中，制備了具有優(yōu)良力致變色特性和機(jī)械性能的光子彈性體；而后，利用原子層沉積技術(shù)在多級(jí)微結(jié)構(gòu)的滌綸織物纖維表面化學(xué)共軸生長一層透明導(dǎo)電的鋁摻雜氧化鋅薄膜，得到了導(dǎo)電滌綸織物；最后，將三維光子晶體結(jié)構(gòu)半嵌入到上述織物結(jié)構(gòu)中，成功構(gòu)造了一種在應(yīng)變施加時(shí)具有快速和持久穩(wěn)定的光電雙響應(yīng)的新型電子織物，并展示了它們?cè)诳梢暬纱┐髌骷械膽?yīng)用，為基于織物的可視化交互式傳感器的實(shí)現(xiàn)開辟了新的道路。相關(guān)成果以“Interactively mechanochromic electronic textile sensor with rapid and durable electrical/optical response for visualized stretchable electronics” 為題，近日發(fā)表在 Chemical Engineering Journal (2021, DOI:10.1016/j.cej.2021.130870）上。

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光子晶體結(jié)構(gòu)色材料在長期的使用過程中不可避免的會(huì)受到外力破壞，這會(huì)導(dǎo)致性能降低、甚至功能喪失。針對(duì)上述問題，牛文斌教授等人通過設(shè)計(jì)合成動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)Vitrimer并引入光子晶體結(jié)構(gòu)中，利用光子晶體帶隙和動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，將三維光子晶體結(jié)構(gòu)固定在Vitrimer網(wǎng)絡(luò)中，從而構(gòu)建出力學(xué)性能優(yōu)良的Vitrimer光子彈性體。該光子vitrimer彈性體具有良好的機(jī)械顯色性、優(yōu)異的力學(xué)性能和自愈能力，并可作為一種可視化的人機(jī)交互傳感器件用于跟蹤人體運(yùn)動(dòng)。該器件可通過肉眼直接可見的顏色變化，實(shí)時(shí)感知外界的應(yīng)變和應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了使用者與設(shè)備的直接智能交互。相關(guān)成果以“Photonic Vitrimer Elastomer with Self-Healing, High Toughness, Mechanochromism, and Excellent Durability based on Dynamic Covalent Bond”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials（2021, DOI：10.1002/adfm.202009017）上。

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柔性光子晶體纖維在通信、生物醫(yī)學(xué)、智能穿戴材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，然而，制備具有適應(yīng)性、多功能、高性能的柔性光子纖維一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。牛文斌教授等人通過在透明的聚酯纖維表面共軸生長Al2O3/ZnO一維光子晶體殼層，構(gòu)建了新型的兼具光學(xué)和電學(xué)功能的形狀記憶光子晶體光纖（SMPF）。該光子晶體光纖有可調(diào)諧的結(jié)構(gòu)顏色、各向異性的光學(xué)反射特性和優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，特別是，表現(xiàn)出了獨(dú)特的形狀記憶能力。這在以前的光子晶體光纖中很難實(shí)現(xiàn)。得益于光子帶隙和形狀記憶能力，這些SMPF能夠應(yīng)用于光波導(dǎo)，引導(dǎo)光束沿著特定通道進(jìn)入生物組織深層，用于深部組織成像和光療等。此外，氧化鋅材料的光電、熱釋電效應(yīng)，使其可以用作形狀記憶溫度傳感器件，用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)口呼吸、鼻呼吸和紅外光。該工作為構(gòu)建柔性多功能光子纖維提供了一個(gè)通用平臺(tái)，并在生物組織深部的光動(dòng)力治療、可穿戴電子器件和智能機(jī)器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以Flexible Multifunctional Photonic Crystal Fibers with Shape Memory Capability for Optical Waveguides and Electrical Sensors為題，近日發(fā)表在Industrial & Engineering Chemistry Research 上。

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https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01153

碳纖維是一種導(dǎo)電導(dǎo)熱、輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等的戰(zhàn)略性新材料，然而其片狀石墨微晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致表面化學(xué)惰性和高結(jié)晶度，傳統(tǒng)有機(jī)分子染料根本無法對(duì)其著色，只能呈現(xiàn)黑色。牛文斌教授等先通過等離子表面活化，進(jìn)而原子層沉積共軸化學(xué)生長一層均勻氧化鋅，利用薄膜干涉原理，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，賦予了碳纖維亮麗顏色；通過調(diào)節(jié)薄膜厚度，獲得了一系列連續(xù)可控的彩色碳纖維。在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用氧化鋅固有的熱釋電、壓電等特性，將其與柔性導(dǎo)電薄膜ITO/PET結(jié)合，設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種新型彩色碳纖維的單根纖維微傳感器件。該微傳感器可以對(duì)外界UV、溫度和紅外光進(jìn)行檢測(cè)，并具有高柔性、彩色、多功能、小型化的特點(diǎn)，可進(jìn)一步與其他器件或電路集成，極大的拓展了上述彩色碳纖維材料的應(yīng)用范圍。相關(guān)成果以Highly Flexible, Multicolored, and Multifunctional Single-Fiber-Based Microsensors for UV, Temperature, and Infrared Detection為題，近日發(fā)表在Industrial & Engineering Chemistry Research (2021, DOI:10.1021/acs.iecr.1c02166）上。

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https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c02166