超快响应聚合物微阵列光学材料的制备及其光学传感方面的应用

It is of great importance to develop responsive optical material with ultrafast response rate and high sensitivity for optical sensing and intelligent display devices application. In this project, stimuli-responsive microstructure optical material is prepared through a novel way, in which intelligent responsive hydrogel materials are grafted on order microarrays with particular optical properties. Through adjusting the geometry of the microarray and the molecular structure of the hydrogel layer, and studying the responsive optical properties of the as-prepared microstructure optical material, how these factors affect the response performance of the microstructure optical material is investigated in detail. Finally, the response performance of the material was optimized based on the precise adjustment of the structure of the material. The as-prepared responsive optical material shows a number of advantages, such as the facile adjustment of the optical properties, the ultrafast response rate and the “low cost” character of the fabrication process. This project not only explores a novel way to prepare stimuli-responsive microstructure optical material, but also investigates the ultrafast responsive mechanism of the material. additionally, this project will also lay a foundation for the preparation and application of ultrafast response chemical and biological sensors, thus, this project is of great scientific significance and application prospects.

开发具有快速响应、高灵敏度等响应性能的响应性光学材料，在光学传感器及新型智能显示器件等领域具有很大的应用价值。本项目针对这一课题，设计了“在具有特殊光学性质的有序二维微阵列表面接枝刺激响应水凝胶聚合物”的新思路，来制备具有刺激响应特性的微阵列光学材料。通过调控微阵列的微观形貌以及水凝胶膜层的分子结构，结合对材料响应性光学性质的研究，详细探讨材料微观形貌以及水凝胶聚合物分子结构等因素对其响应速率及灵敏度等响应性能的影响，并最终通过对结构的精细调控实现对材料响应性能的优化。这种方法制备的响应性光学材料具有多项特点，如材料的光学性质容易调控、材料响应速率快及制备过程简单且低耗等。本项目的实施，既是对响应性水凝胶微阵列光学材料的构筑方法的探索，又是对响应性微结构光学材料超快响应机理的研究，同时还可为超快响应的化学及生物传感器的制备和应用奠定基础，具有重要的科学意义和应用前景。

本项目的研究工作主要集中于将功能性聚合物材料可控引入光功能微纳结构并利用该复合微结构实现对外界待测物的快速、准确传感。本项目首先设计合成了一系列具有独特光学性质的胶体粒子（如金纳米粒子、Au@SiO2核壳粒子及Au纳米拨浪鼓粒子等），通过改变合成条件实现了对胶体粒子微观形貌的可控调节，详细研究了粒子微观形貌与其光学性质之间的关系，并以此为指导，实现了对胶体粒子光学性能的优化。在合成具有可控光学性能的胶体粒子的基础上，我们通过界面自组装等方法，制备了一系列以所制备胶体粒子为构筑基元的光功能有序微阵列结构。在得到光功能有序微阵列之后，我们分别建立了一系列向光学微阵列结构中可控引入功能性聚合物材料的方法。我们首先建立了一种揭起-组装-转移的方法，利用该方法，可以在支撑基底和光学金属微阵列之间可控引入功能性聚合物插层，从而得到具有超高机械稳定性的特异性光学传感材料，该方法具有非常好的普适性，孤立的金属点阵、连续的金属薄膜以及随机堆砌的准三维纳米线网格，均可以利用该方法实现功能性聚合物插层的可控引入。此外，我们还利用表面引发ATRP技术，成功地在一系列光学微结构的表面或空腔中可控引入功能性聚合物分子刷，并利用聚合物分子刷的软物质特性，实现了对外界环境变化的超快传感。本项目通过三年的研究工作，已基本完成项目的研究目标，研究结果表明，当接枝的聚合物为链运动较容易的聚合物分子刷且聚合物位于微结构外部时，材料的响应速率大幅度提升，该研究成果为超快响应的化学及生物传感器的制备和应用奠定了基础。

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