智能流体中的有序结构
Order structure of smart fluid materials
孙爱华 储成义Ⅰ微纳有序结构材料团队
智能流体是一种性质(如组装结构和粘度)随外界刺激可控变化的流体。这类智能流体在诸多工业和技术领域有广泛的应用前景。在众多外界刺激中，电场以方便易得、易操作、易集成等特点成为首选。近年来，通过电场驱动胶体颗粒悬浮液形成有序结构，获得可逆、可调的功能性应用成为研究的热点，这类电场调控的完全可逆自组装智能材料在阻尼器件、光学器件和传感器件等领域中有着广阔的应用。在场控智能流体形成有序结构的过程中，要经过粒子的制备与改性，场控有序结构的调控，功能化单元的调制以及到最后的单元组装和实际应用。
如何在颗粒规模化制备过程中控制粒子的粒径和分布、结构和形状一直是科学界和产业界普遍关注的热点，中科院宁波材料所许高杰团队一直关注氧化物颗粒规模化合成的共性规律特征的问题研究，解决了合成过程复杂、转化率低、形貌和尺寸控制等一系列问题，该团队以成功开发了氧化硅、氧化钛和氧化锌等一系列微纳颗粒的规模化制备及尺寸和形貌调控技术，获得多项授权发明（ZL200610155112.X，ZL200810060916.0）， 更多的新专利正在申请中。
在颗粒尺寸和形貌可控的研究的基础上，该团队研究人员结合颗粒物质的物性与场控条件的需要，进一步合成了SiO2@TiO2，Fe3O4@C空心粒子、Fe3O4@ SiO2等系列核壳结构颗粒，研究了不同颗粒物与不同溶剂的匹配性。在电场的调控下的有序结构，实现了它们对光传输性质的影响的可控与可调（J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 1990; Mater. Res. Exp, 2014, 1, 045037; RSC. Adv, 2015, 5, 6489; Colloid. Surface. A, 2016, 498,74； Mater. Lett, 2013, 110, 260）。在研究电场调控Fe3O4@ SiO2时发现，可以通过粒子的表面修饰，调节其溶剂化力已达到器件双面显示不同结构色的效果，同时发现了由此造成的反射峰回移现象（J. Alloy. Compd. 2016, 654, 251）。
已报道的电场调制有序结构色多数是属于溶胀型或者采用ITO 玻璃作为电极封装悬浮液的三明治结构，需要在器件中密封溶液，这不仅增加了制备过程的繁琐性和复杂性，也增加了生产成本，不利于实用化和产业化。无溶液场致有序结构色是一个新的发展方向，研究组针对该问题进行了场致水凝胶结构色的研究。目前，通过调整粒子的有序结构，制备出可显示不同结构色的水凝胶，该水凝胶对湿度、温度、压力和拉力以及乙醇等溶剂具有很好的响应功能，通过裸眼观察结构色的变化即可得到上述环境因素的变化，可以作为有效的环境传感器使用。
综上，这些研究结果对发展场致有序结构材料结构色在新型彩色反射式显示、色彩防伪、结构色彩色印刷、可复写光子纸和结构色传感器等方面应用具有十分重要的意义。
上述研究工作得到了国家自然科学基金（11404347，11374311，11574331）、宁波市自然科学基金（2014A610123）和宁波材料所所长基金的支持。
