一种磁致变色光子晶体材料及其制备方法与流程

本发明涉及材料
技术领域：
，尤其涉及一种磁致变色光子晶体材料及其制备方法。
背景技术：
：光子晶体是尺寸在一百纳米到几个微米的无机或者有机的胶体微球在驱动力的作用下进行自组装，形成一定的有序结构，这种有序排列的胶体微球结构通常被称为光子晶体、胶体晶体或者人造蛋白石结构。光子晶体由于其优良的光学性能成为新一代光电器件的基础材料，还可以用作一下基本现象的理想模型体系，可以用于相变，热解过程等热点问题的机理研究。此外，光子晶体本身还可作为模板，可以和电镀、光刻技术等进行完美的融合，用于制备的图案化光子晶体材料。正因为光子晶体及其相关衍生物具有广阔的应用前景，才使得其在制备精确调控、化学改性和新颖应用的学科交叉中受到极大关注。二氧化硅微球具有化学惰性、耐高温、机械强度高等优点，在橡胶、催化剂、制药以及陶瓷等领域具有广泛的应用前景。近几年，以单分散性好的二氧化硅微球作为基元材料，采用自组装法制备光子晶体成为研究的热点，主要是因为二氧化硅微球的制备方法简单、微球粒径可控。申请公布号为CN101049631A的发明专利申请中公开了一种纳米复合物二氧化硅-金属核壳离子的制备方法。该制备方法通过使用交联剂对二氧化硅表面进行修饰，形成一种表面氨化的二氧化硅粒子，然后再将修饰后的二氧化硅与经还原剂处理后的金、银、锡或它们的合金混合，从而制得以二氧化硅为核，以金、银、锡或它们的合金为壳，具有生物相容性好、水溶性好的优点，并具有特定光学性质的纳米复合物。但是，上述制备方法具有三个缺点：一是上述制备方法是通过使用交联剂对二氧化硅的表面进行修饰，不但制备方法复杂(需要在较高温度下加热回流一定时间，然后需经4～5次离心操作)，而且表面氨化的二氧化硅与金属的结合能力也较差，为了得到表面完全覆盖金属的核壳离子，不但需要多次超声，还需离心以及还原剂的作用，从而使得制备步骤变色复杂；二是所使用的金、银、锡或它们的合金磁性小，从而使得纳米复合物的磁响应能力差；三是所制得的纳米复合物没有完整有序的光子晶体结构，更无法变色，从而使得纳米复合物在化学、生物传感器、光电学设备等领域的应用受到了限制。技术实现要素：(一)要解决的技术问题针对现有的二氧化硅光子晶体的制备方法存在的复杂、变色范围小、颜色单一的问题，本发明提供了一种简单、成本低、并且变色范围广，达到红黄蓝等多色系变色的制备方法。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：1、一种磁致变色光子晶体材料的制备方法，包括如下步骤：(1)制备单分散二氧化硅微球胶体：将正硅酸乙酯、液体醇和浓氨水混合，然后在密闭条件下进行搅拌，从而制得单分散二氧化硅微球胶体；(2)制备功能化金属材料晶体：将无水金属盐、乙酰氯和第一有机溶剂混合并在室温下进行反应，从而制得功能化金属材料晶体；(3)制备磁致变色光子晶体材料：将功能化金属材料晶体分散在第二有机溶剂中，再与单分散二氧化硅微球胶体混合并分散，得到磁致变色光子晶体材料。2、一种磁致变色光子晶体材料的制备方法，所述步骤(2)按照如下方式进行：(1)配制溶液：将20～40mL乙酰氯和30～50mL第一有机溶剂混合，配制成乙酰氯溶液；将10～50g无水金属盐和20～40mL第一有机溶剂混合，配制成第一金属溶液；将15～20g无水金属盐和50～60mL第一有机溶剂混合，配制成第二金属溶液；(2)反应：先将第一金属溶液和乙酰氯溶液混合，待固体完全溶解后，再加入第二金属溶液，然后在室温下反应2～10小时，从而制得功能化金属材料晶体。3、一种磁致变色光子晶体材料的制备方法，在步骤(2)中，所述无水金属盐选自氯化铁、二茂铁、二茂铁衍生物中的任一种。4、一种磁致变色光子晶体材料的制备方法，步骤(2)还包括在室温下进行反应后将反应产物纯化的步骤，所述纯化步骤按照如下方式进行：将将反应产物倒入冰水中，水层用第一有机溶剂萃取，将有机相用无水Na2SO4干燥，过滤，蒸除第一有机溶剂，用乙醇重结晶，从而得到功能化金属材料晶体。5、一种磁致变色光子晶体材料的制备方法，在步骤(3)中，所述功能化金属材料晶体在所述单分散二氧化硅胶体中的浓度为0.1～1wt％。6、一种磁致变色光子晶体材料的制备方法，在步骤(3)中，所述分散采用超声分散的方式进行，所述超声分散采用的频率为4000～6500Hz，超声分散的时间为10～15min。7、一种磁致变色光子晶体材料的制备方法，在步骤(1)中，所述正硅酸乙酯、液体醇和浓氨水的体积比为(1～2)：(10～30)：(10～30)。8、一种磁致变色光子晶体材料的制备方法，在步骤(1)中，将正硅酸乙酯、液体醇和浓氨水混合，然后在密闭条件下在10～100℃下搅拌10～48h，并且所述液体醇选自甲醇、乙醇、丙醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、正戊醇中的任一种，优选为甲醇。9、一种磁致变色光子晶体材料的制备方法，所述第一有机溶剂为二氯甲烷或三氯甲烷；所述第二有机溶剂选自乙醇、丙三醇、乙醚、丙酮、三氯甲烷、N,N-二甲基丙烯酰胺中的任一种。10、本发明还提供了一种磁致变色光子晶体材料，采用1至9任一项所述的制备方法制备而成。(三)有益效果本发明的上述技术方案具有如下优点：(1)、本发明的制备方法简单，成本低，无需特殊设备和工艺。(2)、采用本发明制备方法制得的磁性变色光子晶体材料的结构均匀，结构颜色丰富。(3)、因为金属粒子具有超顺磁性，因此，采用本发明制备方法制得的磁性变色光子晶体材料在适当的磁场条件下能够产生颜色的变化，变色范围广，达到红黄蓝等多色系变色，可广泛应用于化学、生物传感器、光电学设备等。附图说明图1是实施例1制得的二氧化硅微球的扫描电镜图；图2是实施例1制得的磁性变色光子晶体材料的透射电镜图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。第一，本发明提供了一种磁致变色光子晶体材料的制备方法，包括如下步骤：(1)制备单分散二氧化硅微球胶体：将正硅酸乙酯、液体醇和浓氨水混合，然后在密闭条件下进行搅拌，从而制得单分散二氧化硅微球胶体。本发明采用改良的法制备二氧化硅微球，不但简单，重复性好，而且单分散性好。通过控制原料试剂的加入量能够达到调节二氧化硅微球粒径的目的。优选地，当将所述正硅酸乙酯、液体醇和浓氨水的体积比控制在(1～2)：(10～30)：(10～30)范围内时，可以制得100nm～500nm的二氧化硅微球。另外，在制备时，本发明将反应温度控制在10～100℃，反应时间控制在10～48h，确保二氧化硅微球粒径均匀。本发明中的液态醇可以选择甲醇、乙醇、丙醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、正戊醇中的任一种，无毒，安全性高；优选为甲醇。本发明中的浓氨水是指质量分数为35％的氨水溶液。(2)制备功能化金属材料晶体：将无水金属盐、乙酰氯和第一有机溶剂混合并在室温下进行反应，从而制得功能化金属材料晶体。为了将金属材料与二氧化硅微球结合，本发明合成了功能化金属材料。该功能化金属材料的表面带有酰氯基，从而使得金属离子很容易地附着在二氧化硅微球的表面，形成二氧化硅微球为核，金属粒子为壳的核壳结构。利用该方法对金属粒子进行表面处理，从而制得功能化金属粒子，该金属粒子和二氧化硅微球的结合能力远远强于表面氨化的二氧化硅和金属粒子的结合能力，从而无需复杂步骤，便可在二氧化硅微球表面完全覆盖金属粒子。因此，本发明的制备方法简单。为了确保合成反应更加顺利地进行，从而在金属粒子的表面附着酰氯基。在一些优选的实施方式中，该步骤按照如下方式进行：将20～40mL乙酰氯和30～50mL第一有机溶剂混合，配制成乙酰氯溶液；将10～50g无水金属盐和20～40mL第一有机溶剂混合，配制成第一金属溶液；将15～20g无水金属盐和50～60mL第一有机溶剂混合，配制成第二金属溶液；先将第一金属溶液和乙酰氯溶液混合，待固体完全溶解后，再加入第二金属溶液，然后在室温下反应2～10小时，从而制得功能化金属材料晶体。在一些实施方式中，本发明在合成功能化金属材料时不但严格控制了原料试剂的用量，而且还采用了特定的加料方式。因为发明人在合成过程中发现，若是同时将全部原料试剂加入的话，金属粒子有可能浓度过大，反应速率可能会降低，甚至无法正常反应。因此，在加料时，先将第一金属溶液和乙酰氯溶液混合，待固体完全溶解后再加入第二金属溶液。本发明中所用的无水金属盐选自氯化铁、二茂铁、二茂铁衍生物中的任一种，无水条件可以避免乙酰氯水解。在一些实施例中，步骤(2)还包括在室温下进行反应后将反应产物纯化的步骤，得到纯度高的功能化金属材料晶体。该金属晶体的表面带有酰氯基，从而使得金属离子很容易地附着在二氧化硅微球的表面，形成二氧化硅微球为核，金属粒子为壳的核壳结构。所述纯化步骤按照如下方式进行：将将反应产物倒入冰水中，水层用第一有机溶剂萃取，将有机相用无水Na2SO4干燥，过滤，蒸除第一有机溶剂，用乙醇重结晶，从而得到功能化金属材料晶体。在一些实施例中，所述第一有机溶剂为二氯甲烷或三氯甲烷。本发明中所说的室温是指10～38℃。(3)制备磁致变色光子晶体材料：将功能化金属材料晶体分散在第二有机溶剂中，再与单分散二氧化硅微球胶体混合并分散，得到磁致变色光子晶体材料。本发明制备的光子晶体材料为核壳结构，其中二氧化硅微球为核，附着在二氧化硅微球表面的金属离子为壳。由于金属离子具有超顺磁性，从而使得光子晶体材料也具有磁响应性能。当施加适当磁场时，金属粒子体积位置或者体积改变，使得光子晶体团簇的晶格结构发生变化，光子禁带位置改变，从而使得晶体的颜色发生改变。由于二氧化硅微球的结构均匀，分散性好，因此，本发明制得的纳米光子晶体材料具有晶体结构均匀，结构颜色丰富的优点。在一些实施例中，所述功能化金属材料晶体在所述单分散二氧化硅胶体中的浓度为0.1-1wt％。在一些实施例中，所述为了确保将功能化金属材料晶体在有机溶剂中分散均匀以及二氧化硅微球和功能化金属粒子充分结合，本发明将超声分散的频率控制在4000～6500Hz，超声时间控制在10～15min。在一些实施例中，本发明所用的第二有机溶剂选自乙醇、丙三醇、乙醚、丙酮、三氯甲烷、N,N-二甲基丙烯酰胺中的任一种。第二，本发明提供了一种磁致变色光子晶体材料，采用上述任一项制备方法制备而成。该磁致变色光子晶体材料为核壳结构。其中，核为实心核，由二氧化硅微球组成。壳是附着在二氧化硅微球表面的金属粒子。由于金属粒子具有超顺磁性，因此，该光子晶体材料具有磁响应性能。当施加适当磁场时，金属粒子体积位置或者体积改变，使得光子晶体团簇的晶格结构发生变化，光子禁带位置改变，从而使得晶体的颜色发生改变。另外，本发明提供的磁致变色光子晶体材料的粒径可控，在100nm～500nm的范围内；结构均匀，具有完整有序的晶体结构。以下是本发明列举的几个实施例。实施例1(11)、制备单分散二氧化硅微球胶体。在三口瓶中加入100mL甲醇，20ml正硅酸乙酯，100mL浓氨水(质量分数为35％的氨水溶液)，20℃密闭搅拌10h，得到单分散二氧化硅微球胶体。(12)、制备功能化金属材料。(a)配制溶液：将20mL乙酰氯和50mL第一有机溶剂混合，配制成乙酰氯溶液；将10g无水FeCl3和20mL第一有机溶剂混合，配制成第一金属溶液；将20g无水FeCl3和50mL第一有机溶剂混合，配制成第二金属溶液；(b)反应：先将第一金属溶液和乙酰氯溶液混合，待固体完全溶解后，再加入第二金属溶液，然后在15℃下反应10小时；将全部反应产物倒入冰水中，水层用40mLCH2Cl2萃取，重复3次，然后合并有机相，用无水Na2SO4干燥，过滤，蒸除溶剂，用乙醇重结晶，得红色针状晶体，即为功能化金属材料晶体(本实施例制得的功能化金属材料晶体为1,1'-二乙酰基四氧化三铁)。(13)、制备磁致变色光子晶体材料。将1,1'-二乙酰基四氧化三铁用100mL丙三醇超声分散，制得1,1'-二乙酰基四氧化三铁溶液。将1,1'-二乙酰基四氧化三铁溶液和二氧化硅微球胶体混合，确保1,1'-二乙酰基四氧化三铁在二氧化硅微球胶体中的浓度为0.1wt％，然后将混合物超声分散，得到磁致变色光子晶体材料。结构测定：将制得的单分散二氧化硅微球放在扫描电镜下观察。如图1所示，制得的二氧化硅微球结构均匀，平均粒径为100nm，并且二氧化硅微球的单分散性极好，规则排列，无任何团聚现象。将制得的磁性变色光子晶体材料放在透射电镜下观察。如图2所示，本发明制得的磁性变色光子晶体材料为结构均匀的核壳结构，其中，核为二氧化硅微球的实心核，金属粒子完全覆盖在二氧化硅微球的表面。光谱变化：测试光子晶体材料在200mT、400mT、600mT和800mT外磁场条件下的透过光谱变化。通过Maya2000光纤光谱仪测试光子晶体材料在波长为500nm处透过率的变化。实施例2(21)、制备单分散二氧化硅微球。步骤同(11)，不同之处见表1。(22)、制备功能化金属材料。步骤同(12)，不同之处见表2。最终制得1,1'-二乙酰基二茂铁这一功能化金属材料晶体。(23)、制备磁致变色光子晶体材料。步骤同(13)，不同之处见表3。测试光子晶体材料在200mT、400mT、600mT和800mT外磁场条件下的透过光谱变化。通过Maya2000光纤光谱仪测试光子晶体材料在波长为550nm处透过率的变化。实施例3(31)、制备单分散二氧化硅微球。步骤同(11)，不同之处见表1。(32)、制备功能化金属材料。步骤同(12)，不同之处见表2。最终制得1,1'-二乙酰基二茂铁这一功能化金属材料晶体。(33)、制备磁致变色光子晶体材料。步骤同(13)，不同之处见表3。测试光子晶体材料在200mT、400mT、600mT和800mT外磁场条件下的透过光谱变化。通过Maya2000光纤光谱仪测试光子晶体材料在波长为550nm处透过率的变化。实施例4(41)、制备单分散二氧化硅微球。步骤同(11)，不同之处见表1。(42)、制备功能化金属材料。步骤同(12)，不同之处见表2。最终制得1,1'-二乙酰基四氧化三铁这一功能化金属材料晶体。(43)、制备磁致变色光子晶体材料。步骤同(13)，不同之处见表3。测试光子晶体材料在200mT、400mT、600mT和800mT外磁场条件下的透过光谱变化。通过Maya2000光纤光谱仪测试光子晶体材料在波长为500nm处透过率的变化。此外，本发明还提供了几组对比例。对比例1的制备步骤同实施例1基本上相同，不同之处在于：在合成功能化金属材料的步骤中，加料方式与实施例1不同。对比例1中的步骤(2)按照如下方式进行：向三口烧瓶中加入30gFeCl3和70mL无水CH2Cl2，滴加20mL乙酰氯和30mL无水CH2Cl2的混合液，然后在15℃下反应10h。对比例2采用申请公布号为CN101049631A的发明专利申请中公开的制备方法进行制备，具体方法包括如下步骤：(1)核壳粒子中以二氧化硅为基质的核的合成：在100mL洁净的烧杯中加入50mL的无水乙醇和3.0mL的氨水(25％)，在搅拌条件下，向该溶液中加入0.2mL正硅酸乙酯，5～30mim后溶液变为乳白色的混浊液，继续搅拌8h。得到平均粒径为140nm的二氧化硅粒子。(2)二氧化硅表面的氨化：取上述实验所得二氧化硅粒子悬浊液离心分离(1000～2000rpm)，弃上层清夜，沉淀物加入10mL乙醇，超声分散5min。向该悬浊液中加入400uL的氨丙基三乙氧基硅烷，室温下搅拌2h后加入100mL的无水乙醇稀释，稀释液在70℃下加热回流1h，停止加热，冷却至室温后，以2500rpm的转速离心分离，弃上层清液，重复此操作4～5次除去未反应的硅烷试剂。最后所得沉淀用超声分散在10mL的乙醇中备用。(3)含1～3nm金颗粒的金胶溶液的制备：取80％的THPC水溶液1.2mL用二次去离子水稀释至100mL备用。向45.5mL的水溶液中加入1.5mL的NaOH(0.2M)水溶液、1mL的THPC溶液和2.0mL的高氯酸金(25mmol)，剧烈搅拌1h后，在室温下放置1天，用孔径为200nm的过滤膜过滤，得到1～3nm的金颗粒。滤液于4℃冰箱中继续放置5～50天备用。(4)含1～3nm金颗粒的种金溶液的制备：取上述表面氨化的二氧化硅纳米粒子悬浊液1mL和上述100mL的金胶溶液混合，温和搅拌2～3小时。以1000～2000rpm的转速离心分离弃去未被吸附到二氧化硅粒子表面的胶体溶液，加入乙醇超声分散，此操作反复重复4～5次，得到以二氧化硅为核的种金粒子。该种金粒子最后超声分散在15mL的二次去离子水中备用。该种金粒子粒径约为150nm。并用动态光散射仪测其表面电荷和溶液的pH值以及其粒径和粒径分布。(5)纳米核壳粒子的制备：把25mg的K2CO3和1.5mL的HAuCl4(25mmol)溶液加入到100mL的二次去离子水中，该混合溶液(PCG)在可在避光下放置一天后使用。取上述种金溶液1mL和60mL的PCG溶液混合，剧烈速度搅拌10mim后，快速加入5mL的甲醛溶液(1％)，继续搅拌0.5h后，以3000～5000rpm的转速离心分离去除未被吸附到种金表面的纳米金属粒子，反复重复此操作最少5次。所得沉淀超声再分散于5mL的水中，该溶液中纳米粒子的浓度约为4×1011个/mL。表1制备单分散二氧化硅微球的反应条件正硅酸乙酯液体醇浓氨水反应温度反应时间120mL100mL100mL20℃10h220mL300mL300mL40℃48h310mL200mL200mL10℃45h415mL250mL250mL100℃20h520mL100mL100mL20℃10h表2合成功能化金属材料的反应条件表3制备磁性变色光子晶体材料的反应条件其中，1至4分别对应实施例1至实施例4，5对应对比例1。也分别测试对比例1和对比例2制得的样品在200mT、400mT、600mT和800mT外磁场条件下样品的透过光谱变化。通过Maya2000光纤光谱仪测试样品在波长为400nm处透过率的变化。光谱数据如表4所示。表4光谱数据变化可以看出，与对比例相比，本发明制得的材料在不同的磁场强度下的透过率具有明显的梯度变化，表明光子晶体材料在不同磁场强度下显示不同的颜色，并且透过率足够大，颜色变化可以用肉眼观测到。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页1 2 3