石墨烯水凝胶制成结构色条纹 可作为动态条形码标签

日前，我国研究人员利用仿生结构色原理制备出彩色碳纤维的消息受到业界广泛关注（新技术|我国研究出彩色碳纤维织物，仿生结构生色颜色鲜艳且耐洗涤）。近日，我国又有一项利用结构色的研究成果在材料领域顶级杂志AdvancedMaterials上发表：东南大学生物电子学国家重点实验室的赵远锦教授和顾忠泽教授研究团队提出了一种利用石墨烯水凝胶制成结构色条纹，并设想将其作为动态条形码标签。

动态条码有何优势？

条码是迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术。常见的条形码是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称空）排成的平行线图案，它可以标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等许多信息，因而在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等许多领域都得到广泛的应用。但是，现存的条形码都是静态的单一图形，可以保证商品条码在全世界范围内不重复，但没有防伪属性。

具有响应能力的异质结构色

结构色来源于周期性的有序纳米结构，广泛存在于自然界中，是许多生物重要的功能组成部分。利用仿生的方法，科学家已经研制出可变结构色，如由100nm左右的聚合物球组成的晶体点阵水凝胶光子晶体，当水凝胶感应外场如电、光、热、磁、力、化学环境等变化时，体积发生可逆的膨胀和收缩，导致晶格间距可逆变化，从而引起表面颜色发生改变。

虽然许多类型的可调谐结构色材料已经被开发了出来，但想要找到一种简单有效的方式来远程控制结构色的变化仍然是一个挑战。因此，研究者们仍然希望能够开发一种具有新型响应能力的异质结构色材料来填补仿生结构色材料研究领域的空白。

在毛细管中自组装形成结构色材料

研究团队提出了一种通过胶体纳米粒子在毛细管中快速自组装来形成所需形貌结构色材料的新策略：由于固-液-空气界面下降和胶体组装的不同步过程，这些纳米颗粒可以在毛细管的内表面上形成非均匀的环形条纹图案。通过调整胶体自组装过程中的相关参数，如毛细管内径和胶体粒子浓度来精确地调整结构色条纹图案的宽度和间距。同时，通过使用不同粒径的粒子进行单根毛细管组装，可以实现具有不同结构色或不同结构色组合的条纹图案。

有趣的是，通过将近红外光响应的石墨烯水凝胶整合到结构色条纹图案后，这种复合材料可以像一些生物一样被赋予可逆的向光弯曲行为，同时伴随着颜色自报告的特性。当用单侧近红外光照射纤维时，由于石墨烯水凝胶优越的光热转化效率，受照射区域会发热而发生收缩，这种不均衡的局部收缩不仅会导致纤维向光弯曲，还会导致结构色区域性蓝移。这表明通过观察特定位置处条纹的结构色，可以半定量地确定纤维的弯曲角度。这种独特的传感功能使得结构颜色条纹成为智能软件材料的最佳选择之一。 

石墨烯复合水凝胶纤维在近红外光下的形状颜色双重仿生调控

为了进一步证明该智能材料的潜在价值，研究人员将该结构色彩水凝胶条纹设计成一种具有防伪功能的动态条形码标签。这种条形码比现有的条形码提供了更加复杂的信息，从而提高防伪的效果。通过将近红外光整合到条形码读取器中，这些结构色条纹图案可以在扫描器下显示出动态的颜色变化，甚至是隐藏的编码信息。结构色条纹图案复合材料的这些特征表明了其在模拟结构色生物、构建智能传感器和防伪设备中的潜在应用价值。

整理：ChemicalBook中文编辑部

编辑人员：娜米