精细化工国家重点实验室为全彩色显示光子软致动器的研制提供新方法

近年来，仿生光子软致动器因其在弯曲过程中的刺激变色而备受关注。光子软致动器的颜色来自于表面微纳结构（如光子晶体）对入射光的衍射、反射或干涉。光子软致动器可以实时感知环境条件，依靠结构色准确直观地反映软致动器的细微变化。这类光子软致动器通常具备双层或梯度结构，驱动力来自于水凝胶对外部刺激响应而形成的溶胀差，产生动态和可逆的形状变化。在靶向转运、人工向光性、药物筛选和交互传感等领域发挥着重要作用。然而，制备快速响应、较大弯曲曲率和全彩色显示的软致动器仍然面临挑战。

鉴于此，精细化工国家重点实验室齐勇博士后在张淑芬教授团队从事光子晶体研究，与工程力学系郑勇刚教授合作，受宽尾蜂鸟羽毛的角度依赖结构色和荷叶正反面不同润湿性的启发，提出了一种浸润性调控的新型驱动机制，通过疏水液体单向渗透触发Janus薄膜的不对称溶胀，实现定向弯曲。所制备的Janus薄膜由超疏水的铜微纳阵列和弱亲水的3D反蛋白石构成。由于疏水液体在薄膜表面的渗透与扩散之间的竞争，借助于拉普拉斯压力，疏水液体可以从亲水层穿过通道到达超疏水层，但在相反方向上受阻。超疏水层的吸油溶胀导致Janus薄膜的定向弯曲，与此同时，亲水层表面的反蛋白石显示角度相关的变化的结构色，实现驱动过程中弯曲动力学和应力分布的自我报告。

图1.a)宽尾蜂鸟羽毛的结构色、荷叶正反面的浸润性及Janus膜的结构示意图; b)由水下油滴单向渗透触发的Janus膜的定向弯曲示意图。

如图2所示，当光子软致动器的亲水层朝上时，对于通道处的油滴，泵压（F_P）和重力（G）共同克服润湿阻力（F_W）和浮力（F_B），油滴可以穿过Janus膜。一旦连通亲水层和超疏水层，立即产生拉普拉斯压差（P_L），形成“拉普拉斯通道”。由于通道被油膜覆盖，润湿阻力消失，拉普拉斯压差促进了油滴的快速通过，油滴在超疏水层迅速扩散。由于超疏水层的吸油溶胀，Janus膜由超疏水层向亲水层弯曲。当光子软致动器的超疏水层朝上时，油滴在表面的扩散效应远大于渗透效应，无法克服F_W和F_B，不能穿透通道，不能形成“拉普拉斯通道”。同样，超疏水层的吸油溶胀导致Janus膜向亲水层弯曲。

图2.油滴在薄膜表面的受力分析示意图, (a)亲水层朝上, (c)超疏水层朝上;油滴体积和孔洞直径对渗透的影响, (b)亲水层朝上, (d)超疏水层朝上;典型的(e, f)渗透和(g, h)扩散过程；(i)油水界面穿透通道后在疏水的铜微纳阵列表面上的铺展过程。

视频1.水下油滴的单向渗透（可通过，亲水层朝上）

视频2.水下油滴的单向渗透（禁止通过，超疏水层朝上）

如图3a所示，通过光学显微镜观察了超疏水层表面铜微纳阵列的溶胀过程，溶胀后，铜阵列间距明显增大。Janus膜正反面的不对称溶胀最终促使软致动器弯曲。弯曲前，亲水层表面的反蛋白石可在光源方向产生角度依赖的逆反射光（图3b），初始入射角和观察角分别为~60°和~50°时，亲水层显示绿色。弯曲过程中，由于不同弧度处的入射角和观察角实时变化，对应反蛋白石的逆反射发生变化，整个曲面显示不同的结构色。通过有限元模拟分析了超疏水层的顶部和底部的内应力分布变化。顶部内应力分布密度从边缘向整个平面转移，而底部内应力分布密度从Janus膜的长边向四面转移，与观察到的结构色的变化过程相似。利用结构色可以揭示Janus膜弯曲过程中的相关动力学过程，并可视化分析内应力的变化和转移。

图3.(a)光子软致动器的超疏水层溶胀前后铜微纳阵列的显微图片; (b) Janus膜典型的弯曲过程和相应的结构色; (c)有限元模拟超疏水层顶部与底部的Mises应力分布和传递；(d) Janus膜弯曲与恢复过程中曲率的变化；(e)图b中Janus膜弯曲过程中点1和2对应的衍射光谱；(f)图b中Janus膜弯曲过程中点3对应的最大衍射波长；(g)图c中相关点的应力强度比值随时间的变化。

视频3.水下油滴的单向渗透触发的定向弯曲（Janus光子软致动器）

视频4.水下油滴的单向渗透触发的定向弯曲（快速响应的Janus光子软致动器）

作为该驱动机制的延伸，进一步制作了快速响应的Janus光子软致动器。这项工作为油液在水介质中的定向输送和分离提供了一种有效的策略，为下一代软致动器/传感器的制备提供了灵感。同时，该研究为微智能材料设计中的参数设置提供了启示和方法，在靶向转运、人工向光性、药物筛选和交互传感等领域具有潜在的应用前景。相关成果近日发表在Materials Horizons上，DOI：10.1039/D1MH01693H。论文的通讯作者为大连理工大学张淑芬教授，第一作者为化工学院博士后齐勇。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/mh/d1mh01693h