一、研究背景

羥丙基纖維素（HPC）是一種廣泛可獲得和生物相容的材料。它在水中自組裝成膽甾相，可以展示出生動、金屬感的結(jié)構(gòu)色。盡管HPC是一種具有吸引力的響應(yīng)性和低成本的光子材料，由于當(dāng)其溶解時反射的顏色僅在可見光范圍內(nèi)（在水中50-70 wt%的HPC），干燥時導(dǎo)致藍(lán)移到一個無色狀態(tài)，這使得材料加工成膜或涂層變得復(fù)雜。此外，由于HPC對各類溶劑具有溶解性，這些材料的光子結(jié)構(gòu)由于其高吸濕性和水溶性而與潮濕和液體環(huán)境不兼容，致使HPC衍生化材料無法在差的環(huán)境下維持材料完整性。如何解決高強(qiáng)度、韌性和生動反射顏色之間長期存在的困境，并伴隨協(xié)同刺激反應(yīng)，仍然是HPC材料面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了克服這些問題，使用化學(xué)交聯(lián)的方式固定HPC光子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)在固體HPC中保留光子特征。同時，增加了材料在不同溶劑環(huán)境具備穩(wěn)定性以及應(yīng)用場景下的耐用性。化學(xué)交聯(lián)后的HPC衍生化材料同時還具有良好的機(jī)械柔韌性，使其具備更高的應(yīng)用潛力。

中科院化物所卿光焱研究員/武漢紡織大學(xué)張福生博士在《Advanced Materials》期刊（IF=29.4）上發(fā)表了題目為“Intense Left-handed Circularly Polarized Luminescence in Chiral Nematic Hydroxypropyl Cellulose Composite Films"的高水平論文。文章提出了羥丙基纖維素結(jié)合聚集誘導(dǎo)發(fā)光體共組裝，構(gòu)筑L-CPL的策略，獲得了大glum（+0.51）和高Φ（55.8%）的手性熒光薄膜。此外，該薄膜還展現(xiàn)柔韌性、耐溶劑性、結(jié)構(gòu)色可調(diào)性和多色L-CPL等綜合特性，可以作為耐用性和多模式的光學(xué)防偽標(biāo)識印刷在織物上，即使經(jīng)過反復(fù)洗滌干燥，仍能保持光學(xué)穩(wěn)定性，還可以作為手性光源，實現(xiàn)相反L-CPL/R-CPL誘導(dǎo)不對稱光聚合反應(yīng)。

二、實驗方法

1.HPC圓偏振發(fā)光薄膜的制備

將20 g的羥丙基纖維素粉末分散在1000 ml去離子水中，添加80 ml甲基丙烯酸酐（MA）。以2 mL/min的速度向混合物中注入120 ml濃度為5 M的氫氧化鈉溶液。得到乳白色膠體沉淀。冷凍干燥后得到甲基丙烯酸化羥丙基纖維素（HPC-MA）。將17.5 mg的2-羥基-2-甲基-1-[4-(2-羥基乙氧基)苯基]-1-丙酮和17.5 mg N-（3-（苯基氨基）亞烯丙基）-4-溴苯胺鹽酸鹽固體粉末分散在3.2 g N,N–二甲基甲酰胺（DMF）中。然后分批加入6.8 gHPC-MA至前述DMF混合溶液中，得到HPC-MA含量為68wt%的HMP前驅(qū)液。在直徑為5 cm的聚四氟乙烯（PTFE）基底上滴入1 mL前驅(qū)液，將帶有前驅(qū)液的PTFE基底置于旋涂儀托臺以60 r/min的速度旋轉(zhuǎn)3分鐘。前驅(qū)液均勻成膜后，將薄膜和聚四氟乙烯基底一起放入2 ℃冰箱中，避光靜置15 min進(jìn)行自組裝。最后，使用功率為5 w、波長為365 nm的紫外光對薄膜進(jìn)行5 min的光交聯(lián)。室溫下自然風(fēng)干后即可得到結(jié)構(gòu)色為紅色的羥丙基纖維素圓偏振發(fā)光薄膜。

2.HPC薄膜拉伸性能測試

將薄膜樣品切成寬度為4毫米，長度為40毫米的長條。在進(jìn)行干膜測試之前，樣品在40℃的溫度下在真空干燥箱中干燥30分鐘，以去除多余的水分。對于濕膜測試，薄膜樣品在去離子水中浸泡30分鐘以確保潤濕薄膜。樣品使用質(zhì)構(gòu)儀（TA.TOUCH，上海保圣）以拉伸速度為0.01 mm/s進(jìn)行測試。顯示的數(shù)據(jù)代表在相同組成的同一樣品上進(jìn)行的三次或更多次測量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

三、實驗結(jié)果

1.機(jī)械性能分析

圖（a）HMP?Br薄膜舉重實驗照片。（b）HMP?Br和聚（HPC-MA）（HM）薄膜拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的比較。（c）雷達(dá)圖顯示了HMP?Br和HM薄膜在潮濕或干燥條件下的密度、拉伸應(yīng)力、拉伸應(yīng)變、比拉伸應(yīng)力，楊氏模量和韌性的比較。（d）比較HMP?Br、HMP?Bip、HMP?CF3和聚（HPC-MA）（HM）膜拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖a顯示了矩形HMP?Br薄膜的彈性，該薄膜長40 mm，寬4 mm，厚度約250 μm，成功承受了500 g的重量，相當(dāng)于其重量的1033倍。聚（HPC-MA）（HM）和HMP?Br薄膜的機(jī)械拉伸性能如圖b所示。此外，HMP?Br膜在與PA-Br組分共組裝后表現(xiàn)出強(qiáng)的韌性。這種增強(qiáng)在薄膜的極限強(qiáng)度（HMP?Br薄膜為17.5±3.4 MPa，HM薄膜為15.7±2.3 MPa）和應(yīng)變（HMP–Br薄膜的7.8±2.1%，HM薄膜的6.9±1.3%）中表現(xiàn)得很明顯。在HMP?Br薄膜在應(yīng)力應(yīng)變曲線中計算得到高達(dá)0.9 MJ/m3下的韌性，此外，還評估了潤濕對HM和HMP?Br薄膜機(jī)械性能的影響，結(jié)果總結(jié)在圖c中。盡管HMP材料表現(xiàn)出吸濕趨勢，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，但它們保持了結(jié)構(gòu)完整性，并表現(xiàn)出更大的應(yīng)變。這些優(yōu)異的機(jī)械性能也延伸到HPC和其他PA衍生物的復(fù)合膜（圖d）。這些研究證明了HMP薄膜體系具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，即使在潮濕的環(huán)境中也能表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，為材料的耐用性提供了必要條件。