胶体晶体研究进展

重点阐述了有关胶体晶体的制备方法、以胶体晶体为模板制备的大孔材料，以及利用胶体晶体的三维有序结构、结构颜色等特性制备光子晶体、传感器等研究的进展。     

胶体晶体自组装排列进展

自组装排列胶体晶体是发展光子晶体等亚微米周期有序结构及新型光电子器件十分重要的环节.高电荷密度单分散胶体球在较弱的离子强度和稀浓度下会自发排列形成紧密堆积的周期性结构(ccp),常常是面心立方(fcc),科学家们以此为基础发展了多种结晶化胶体粒子的方法,包括重力场沉积、电泳沉积、胶体外延技术、垂直沉积、流通池、物理束缚排列及其他的许多方法.目前排列的胶体粒子基本为球形,材料也多为SiO2、PS、PMMA,此外一些复合粒子,主要为核壳粒子的排列这里也稍作介绍,这些方法及其变通的使用可以形成类蛋白石及反蛋白石结构,最终实现光子带隙及其它多种用途。     

胶粒晶体模板法制备三维有序大孔材料

使用胶粒模板法制备三维有序大孔材料（three-dimensional ordered macroporous material,3DOM）是一个快速发展的领域。本文综述了3DOM的合成技术,包括各种填充模板的方法、模板的去除方法以及它们在光子晶体、催化材料、生物传感器以及医学等方面的应用前景。     

胶体晶体模板法制备三维有序大孔复合氧化物*

胶体晶体模板法是制备三维有序大孔（3DOM）复合氧化物材料的有效方法。制备过程一般包括3个步骤：首先,将单分散微球堆积成三维有序排列的胶体晶体;其次,将液态前驱体填充到胶体晶体的间隙,并在原位转化为固体骨架;最后,将微球去除,在原来微球间的空隙位置得到固体骨架,原来微球占据的位置则成为相互连接的孔穴。其中,胶体晶体模板的组装、前驱体的填充以及模板的去除都是制备3DOM复合氧化物的关键影响因素。本文针对这几个控制因素对胶体晶体模板法制备3DOM复合氧化物的影响进行了概述,并对孔结构的表征以及材料在催化和电极材料等方面的应用作了简单介绍。     

二维光子晶体

光子晶体是一种介电常数周期变化的功能材料,其基本特征是具有光子带隙。光子晶体理论诞生已三十年,基于理论及实验的研究取得了许多成绩。当所制备的光子带隙与光波的波长相当时,光子晶体材料抑制光子在一定频段内的传播。由于在光学、电学、热学、磁学等方面均有优良特性和潜在应用,光子晶体作为一种新型材料也越来越受到科研人员的青睐。不论在可加工性方面还是在传播特性方面,二维光子晶体的优势正逐渐体现出来。本文重点阐述二维光子晶体的研究进展,分别介绍了二维光子晶体的结构与性能特点以及近年来发展出的新型制备方法,如自组装法、刻蚀法、多光束干涉法等,并着重列举其在传感器、波导、光纤、太赫兹技术等领域的发展现状,表明二维光子晶体作为超材料具有巨大的发展空间和潜力。最后,本文对二维光子晶体今后的研究方向和发展前景作了展望。     

凝胶光子晶体

光子晶体是一种介电常数（或折射率）可以周期性调制的结构,其自激辐射抑制和光子局域化性质使其可以简便而有力的限制、控制和调控光子。近年来,利用胶体晶体自组装性质与水凝胶的传统应用相结合制成的凝胶光子晶体在药物释放、光学开关、金属探针、生物传感器等的新应用方面的研究蓬勃发展,在新材料开发及临床应用等方面取得巨大进展。本文概述了胶体晶体自组装并对该类凝胶光子晶体进行了分类介绍并对其发展趋势进行了评述和展望。     

三维光子晶体的制备

三维光子晶体作为一种光子带隙材料在光学器件、化学生物传感以及信息传输和存储等方面具有广泛的潜在应用价值。自1987年三维光子晶体的概念被提出以来,科学家们一直致力于在实验室用不同的手段合成不同材料和不同结构的光子晶体。本文综述了近年来出现的一些三维光子晶体制备方法,大致分为3类：“自上而下法”（top-down method）、“自下而上法”（bottom-up method）和模板辅助法（template-assisted method）,并详细阐述了每种方法的代表性工作、适用范围以及各自的优缺点。     

胶体光子晶体的平面介电常数缺陷

为引入特殊的光学性质,通常需要在三维光子晶体中人为可控地引入缺陷.通过改变局部结构单元的尺寸或介电常数,相应地引入给体或受体掺杂,带来不同的缺陷态.以前文献报道的向胶体光子晶体中引入缺陷,常会因为同时引入尺寸和介电常数掺杂,给掺杂性质的界定带来困难.本文中,我们结合对流自组装法和L-B膜法,在实心二氧化硅微球组成的三维光子晶体内引入尺寸相同的二氧化硅空心球(与实心球相比具有不同折光率)组成的单层平面缺陷,或者在空心球晶体内引入实心球缺陷层,构成实心-空心-实心或空心-实心-空心的三明治结构,在不破坏整体晶格的同时,在三维胶体光子晶体中引入单一的平面介电常数缺陷.     

金属AI薄膜基微池强制沉积胶体光子晶体的制备

强制沉积法是一种利用自组装原理快速沉积胶体晶体有序阵列的模板方法.我们利用微机械刻划法加工金属Al薄膜,Al膜厚控制微粒粒径和聚醚砜膜厚控制层数,成功地制备了用于强制沉积光子晶体的微池装置.为了检验该微池装置的有效性,我们分别测试了不同粒径(224,245和283 nm)单分散聚苯乙烯微球的沉积效果,并且对其中一种微球(283 nm)进行了不同温度的烘干处理,检验了烘干温度对该样品表面形貌和光子带隙中心波长的影响.实验结果表明,该光子晶体呈面心立方结构,内部晶格完整,缺陷较少,带隙中心波长的实验值与计算值符合得较好.此外,烘干处理可以使构成光子晶体的微球发生微观变化,并导致光子带隙中心波长的蓝移.     

垂直排列法组装胶体晶体的最新进展

光子晶体是一种具有光子带隙的新型功能材料.利用胶体粒子自组装三维光子晶体由于其制备过程比较经济、简单,从而为很多人所关注.目前报道的方法已有多种.其中垂直排列法的简便易行使得其受到了广泛的研究,但另一方面这种方法本身的缺点也限制了它的使用范围.针对这种情况,很多研究机构提出了他们的改进方法.本文简要概述了在这一方面的最新进展,并且在本实验室已能够制备任意单分散、均一尺寸二氧化硅粒子的基础上,采用恒温快速蒸发自组装法得到了高质量的胶体晶体排列.     

Patterned Colloidal Photonic Crystals

Colloidal photonic crystals (PCs) have been well developed because they are easy to prepare, cost‐effective, and versatile with regards to modification and functionalization. Patterned colloidal PCs contribute a novel approach to constructing high‐performance PC devices with unique structures and specific functions. In this review, an overview of the strategies for fabricating patterned colloidal PCs, including patterned substrate‐induced assembly, inkjet printing, and selective immobilization and modification, is presented. The advantages of patterned PC devices are also discussed in detail, for example, improved detection sensitivity and response speed of the sensors, control over the flow direction and wicking rate of microfluidic channels, recognition of cross‐reactive molecules through an array‐patterned microchip, fabrication of display devices with tunable patterns, well‐arranged RGB units, and wide viewing‐angles, and the ability to construct anti‐counterfeiting devices with different security strategies. Finally, the perspective of future developments and challenges is presented.     

聚苯乙烯胶态晶体的合成

近年来 ,胶态晶体引起物理学家和化学家的共同关注 [1] .占据晶格点的纳米或微米级微粒自组装行为 [2 ] 在光学显微镜和扫描电子显微镜下可被清晰地观察到 ,因此能作为研究晶体相变的模型 [3 ] ,并有助于人们加深对晶体中点缺陷、晶界及位错等现象的了解 .胶态晶体所具有的周期性结构更使其在光学研究领域具有特殊意义 .与半导体中电子的能带结构类似 [4 ] ,胶态晶体中传播的光波色散曲线为不连续的带状结构 ,被称为“光子晶体”(photonic crystal) .在禁带区 (photonic band gap) ,光被禁止传播 ,而光散射加强 ,可将其应用于光电开关及光催…     

Self‐Healing Colloidal Crystals

Healing hands : A complex interplay between colloidal and polymeric energetics in microgel self‐assembly behavior results in soft colloidal assemblies with self‐healing properties. Repulsive soft spheres can adopt highly compressed conformations in colloidal crystalline lattices without directly contacting the nearest neighbors (see picture). This distant action is directly responsible for the self‐healing of the assemblies.

     

微凝胶胶体晶体研究进展

Poly(N-isopropylacrylamide)(PNIPAM)微凝胶粒子是一种软的胶体粒子.和单分散的SiO_2、PS、PMMA等硬的胶体粒子一样,单分散的PNIPAM微凝胶粒子也可以自组装成为高度有序的胶体晶体.微凝胶粒子软物质的特性及其对外部刺激的响应性赋予其不同于硬球的组装行为.微凝胶胶体晶体的高度有序结构及其刺激响应性使其在诸多领域有重要用途.本文分别介绍了三维及二维微凝胶胶体晶体组装的研究进展,并对已开发的基于微凝胶胶体晶体的应用进行了总结.     

Photoswitchable Dissipative Two‐Dimensional Colloidal Crystals

Control over particle interactions and organization at fluid interfaces is of great importance both for fundamental studies and practical applications. Rendering these systems stimulus‐responsive is thus a desired challenge both for investigating dynamic phenomena and realizing reconfigurable materials. Here, we describe the first reversible photocontrol of two‐dimensional colloidal crystallization at the air/water interface, where millimeter‐sized assemblies of microparticles can be actuated through the dynamic adsorption/desorption behavior of a photosensitive surfactant added to the suspension. This allows us to dynamically switch the particle organization between a highly crystalline (under light) and a disordered (in the dark) phase with a fast response time (crystallization in ≈10 s, disassembly in ≈1 min). These results evidence a new kind of dissipative system where the crystalline state can be maintained only upon energy supply.     

胶体晶体剪切模量的影响因素

利用自行搭建的扭转共振谱仪,研究了不同粒子体系胶体晶体在不同体积分数下的剪切模量,利用反射光谱测量了相应的晶体结构及内部孔洞等参数.结果表明,同一粒子体系的剪切模量均随体积分数的增加而增大;而对于同样的粒子数密度,不同粒子体系的剪切模量随体系内部孔洞所占比例增加呈增大趋势.对实验结果的分析及与理论分析的对比表明,决定胶体晶体剪切模量大小的主要因素是胶体晶体中粒子的最近邻间距,从而统一解释了体积分数和内部孔洞对胶体晶体剪切模量的影响.     

二氧化硅胶体晶体组装形貌研究

用原子力显微镜表征了二氧化硅胶体晶体的组装,探讨了二氧化硅微球用自然沉降法、抽滤法、溶剂挥发法组装时的组装行为,同时讨论了不同颗粒表面电位、不同溶剂介质及不同温度对其组装结果的影响。结果表明,颗粒表面电位是影响二氧化硅胶体晶体有序组装的重要因素之一。文中总结了最优的介质组成和温度条件,指出溶剂挥发法是较优的二氧化硅胶体晶体组装方法,其方法操作简单、周期短、得到的胶态晶体质量高,能在较大面积内高度有序。     

基于温敏水凝胶的可调胶体晶体制备

基于单分散胶体粒子悬浊液在温敏水凝胶表面可以形成湿润型胶体晶体的现象, 利用温敏水凝胶对水的控释作用制备了温度敏感的可调制胶体晶体. 在室温下利用提拉法在温敏水凝胶聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)表面制备湿润型胶体晶体膜. 由于胶体粒子的有序排列, 胶体晶体显示出一个尖锐的反射峰. 当温度上升到34 ℃以上时, 由于PNIPAAm水凝胶中的水被释放, 导致胶体晶体中粒子浓度降低, 粒子间距增加; 反射峰发生红移. 这些特性可以通过温度变化进行调制.