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全息复合材料,纳米粒子复合材料

2022-04-18

  一、全息高分子/纳米粒子复合材料

  纳米粒子是指尺寸在1~100nm之间的超细微粒。尺寸纳米化会产生表面效应、体积效应、量子尺寸效应等特殊效应,因此纳米粒子具有独特的光学性质、电学性质、磁学性质、力学性质和热学性质。全息高分子纳米粒子复合材料是基于全息光聚合诱导相分离原理制备的一类具有周期性有序结构的高分子/纳米粒子复合材料。2001年,美国赖特-帕特森空军基地的Vaia、Bunning等将直径为5m的金纳米粒子分散在含有光引发剂的丙烯酸酯单体中,并采用相干光辐照,制备了富高分子相与富纳米粒子相呈周期性排列的全息光栅。这是关于全息高分子纳米粒子复合材料研究的最早报道。由于纳米粒子,特别是无机纳米粒子(如二氧化钛、二氧化锆、硫化锌等)具有高的折射率,因此全息高分子/纳米粒子复合材料的折射率调制度通常较高。同时,全息高分子纳米粒子复合材料还具有光散射低、体积收缩率低、衍射效率对光的偏振态不敏感等优点,因此受到了人们的广泛关注,并已应用于三维图像存储、光学防伪、高密度数据存储、中子光学元件等领域。

  本章将分别介绍全息高分子/纳米粒子复合材料的成型原理、组成、性能参数、结构与性能调控、应用及发展展望。

  二、全息高分子/纳米粒子复合材料的成型原理

  全息高分子/纳米粒子复合材料的成型原理是全息光聚合诱导相分离,形成的结构通常为光栅。先将纳米粒子均匀分散在含有光引发剂的单体中,然后置于相干激光下曝光。光引发剂在相干亮区吸收光子,并引发单体进行聚合反应,生成高分子。由于相干亮区中单体浓度降低,相干暗区的单体向相干亮区扩散,并参与聚合反应,同时将纳米粒子从相干亮区挤压至相干暗区。这种单体与纳米粒子的反向扩散导致微观相分离,最终形成富高分子相与富纳米粒子相呈周期性排列的光栅结构。

  在全息曝光之前,纳米粒子在单体中处于均匀分散状态,因此各组分的化学势相同。在相干激光的照射下,相干亮区中的单体发生聚合反应,导致单体摩尔数减少、化学势下降。由于单体在相干暗区中的化学势高于相干亮区,因此单体从相干暗区向相干亮区扩散。同时,相干亮区中纳米粒子的化学势升高,推动纳米粒子向相干暗区扩散。单体和纳米粒子的反向扩散导致微观相分离,直至体系发生凝胶化时停止。

  美国伊利诺伊大学香槟分校Braun等以全息高分子/二氧化硅纳米粒子复合材料为研究对象,发现纳米粒子向相干暗区扩散是形成全息光栅结构的决速步骤,称为扩散控制的纳米粒子迁移机理。在此基础上,他们进一步研究了干涉条纹周期对相分离结构的影响。

  文章内容引用自专业教材,以便高分子科学工程、光学工程等领域的科技工作者作研究参考,未经本书原作者的许可,任何第三方不得复制或者转载本文内容。