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  生物光子晶體圖案為生物的生存提供了獨特的功能，例如靜態(tài)識別、求偶和動態(tài)感知預警效應(yīng)。蝴蝶翅膀上的各種紋理和彩色圖案可用于識別類別，類似于該生物的“身份證”。孔雀尾羽的類眼睛花紋具有求偶交配功能。除靜態(tài)識別功能外，許多生物光子晶體還具有動態(tài)感測功能，比如變色龍當遇到外部刺激時，它們的體表圖案產(chǎn)生相應(yīng)的變化以適應(yīng)自然環(huán)境。在求偶，競爭和環(huán)境變化等情況下，這些生物表現(xiàn)出獨特的圖案變化來引起注意或隱藏自己，表明自身受驚或喜悅的情緒。章魚提供了更為特殊的例子，當外界環(huán)境變化時，其身體發(fā)生明顯的特殊的卷曲變化，同時其顏色也發(fā)生很大的變化。自然界神奇的變臉鳥在扭動脖子觀察環(huán)境變化時，其頭部羽毛的顏色發(fā)生從黑綠，黑紅相間到大紅色等明顯變化。在自然界中，除了規(guī)則有序具有角度依賴特性的虹彩結(jié)構(gòu)色外，還存在許多從短程有序長程無序結(jié)構(gòu)派生出來的非虹彩結(jié)構(gòu)色，例如：斑喉傘鳥的藍色羽毛，長角甲蟲的鞘翅和藍色鼻翼的山猴。受這些特殊功能和現(xiàn)象的啟發(fā)，研究人員基于靜態(tài)識別、動態(tài)檢測、致動防御警戒和組裝結(jié)構(gòu)復制四個方面，利用球形和非球形粒子制備了各種各樣的仿生光子晶體圖案，并在傳感、顯示、信息安全、形狀記憶及其他領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展，引起了巨大的研究興趣。

  近日，中科院理化技術(shù)研究所仿生實驗室江雷院士團隊王京霞研究員就仿生光子晶體圖案研究進展發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)了自然界光子晶體圖案的神奇功能演化及仿生圖案化光子晶體包括制備策略，功能演變和應(yīng)用研究的新進展。

  首先，介紹了光子晶體圖案的制備策略，包括模板誘導的組裝和不帶模板的直寫。模板誘導組裝指圖案是基于模板限域誘導作用形成的，包括一般的模板誘導組裝和“三明治”組裝。直寫指圖案在沒有模板誘導的情況下直接寫入，包括噴墨打印、滴涂和噴涂等手段。

圖1. 自然界和實驗室制備的光子晶體圖案

  其次，光子晶體圖案的功能性經(jīng)歷了從非響應(yīng)性到響應(yīng)性圖案的演變。非響應(yīng)性光子晶體圖案是通過組裝非活性材料獲得的，對外界刺激無反應(yīng)。響應(yīng)性圖案源自將響應(yīng)性材料引入到光子晶體圖案中，并根據(jù)應(yīng)用需求經(jīng)歷了可逆圖案變化、圖案固定及圖案程序化的寫入和擦除，特別是基于非球形粒子嵌段聚合物的具有應(yīng)變適應(yīng)性剛度的光晶圖案。

圖2.自然界光子晶體的圖案識別，動態(tài)傳感，活性預防警戒功能

  最后，總結(jié)了圖案化光子晶體在傳感、顯示、信息安全和形狀記憶等領(lǐng)域的最新應(yīng)用。圖案化光子晶體不僅具有光晶的結(jié)構(gòu)色，還呈現(xiàn)出更加生動和獨特的表達方式，可以設(shè)計特定的圖案以識別目標應(yīng)用環(huán)境。已擴展到具有高靈敏度和快速響應(yīng)的傳感設(shè)備，不僅具有傳統(tǒng)傳感裝置光學信號的變化，新發(fā)展的驅(qū)動器型傳感器，其形狀和結(jié)構(gòu)色會伴隨外部刺激而變化；具有外場調(diào)節(jié)的光晶顯示器經(jīng)歷了電場、磁性、液晶顯示以及基于非虹彩結(jié)構(gòu)色的廣角顯示；防偽標簽，信息隱藏和信息存儲加密體系；具有光學雙穩(wěn)性，構(gòu)建可重寫或可重復使用的形狀記憶智能系統(tǒng)。

圖3. 超浸潤性光子晶體圖案的制備及應(yīng)用

  盡管近年來光子晶體圖案的制備和應(yīng)用得到了很大發(fā)展，但光子晶體圖案的開發(fā)仍然存在許多挑戰(zhàn)，在材料改進方面還有很大的余地。這篇綜述為基于圖案化光子晶體的新型功能材料的構(gòu)建提供了重要的基礎(chǔ)。

  相關(guān)研究結(jié)果以 “Bio-inspired Photonic Crystal Pattern”發(fā)表在Mater. Horiz. 2019, DOI: 10.1039/C9MH01389J。該文章的第一作者武萍萍為理化所博士研究生。在此感謝國家自然基金的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/C9MH01389J

  延伸閱讀：光子晶體超浸潤性賦予具有獨特光學調(diào)控性能的光子晶體材料在傳感、檢測、防偽、顯示、驅(qū)動等方面的新應(yīng)用（Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 6833）。理化所仿生材料與界面科學重點實驗室的江雷院士團隊王京霞研究員在具有超浸潤性光子晶體的制備及應(yīng)用方面取得系列重要進展。他們結(jié)合特殊基底浸潤性和水滴模板，制備了花瓣狀，面包狀光子晶體（Adv. Mater. Interf, 2015, 2, 1400365; Chem. Comm., 2015, 51, 1367; 2016, 3619; J. Mater. Chem. C. 2015, 3 ,2445; 2018, 6,3849）利用超親水基材及超疏水模板形成的三明治限域作用，制備得到具有良好光波導行為的光子晶體微陣列（ACS Applied. Mater. Interfaces, 2016, 8, 4985）。利用金屬-有機反蛋白石結(jié)構(gòu)在電浸潤情況下的獨特的形貌演變，發(fā)展為水刻制備光子晶體圖案的新方法(Adv. Funct. Mater., 2017, 27，1605221)。結(jié)合溶劑誘導效應(yīng)與電化學調(diào)制，在PEDOT光子晶體上實現(xiàn)可逆的水寫/電擦多色光晶圖案(Adv. Funct. Mater. 2019, 29 1808473)。并進一步利用PVDF制備溫度誘導的形狀記憶功能的反蛋白石結(jié)構(gòu)薄膜(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2018, 10, 4243)。通過利用硅烷化碳點的特殊化學組成及閉孔反蛋白石結(jié)合引起的親油不浸潤性能，制備耐溶劑的戶外光學涂層(ACS Applied. Mater. Interfaces, 2018, 10, 6701)及防偽圖案(Nanoscale, 2018, 10, 4642)。利用藍相液晶光子晶體制備大面積高質(zhì)量光子晶體圖案(J. Mater. Chem. C., 2019, 7, 9460; 7, 13764) 通過梯度填充法制備的Janus 型聚（離子液體-甲基丙烯酸甲酯）共聚物反蛋白石光子晶體膜具有定向彎曲驅(qū)動行為(Chem. Commun. 2016, 52, 5924; ACS Nano, 2018, 12, 12149-12158)，及采用液晶彈性體制備液晶驅(qū)動材料（J. Mater. Chem. C., 2019, 7, 3413; Soft Matt. 2018, 14, 5547）