一种太阳光驱动的热致变色材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种变色材料，特别涉及一种利用贵金属纳米粒子的光热转换效应，在太阳光照射下驱动材料的变色行为，属于纳米材料领域。

背景技术：

贵金属纳米粒子（如金和银）具有特异的表面等离子体光学性质，近年来被广泛应用于表面增强拉曼散射和表面增强荧光光谱等领域。贵金属的局域表面等离激元的另一项深具应用潜力的性质就是它有极高的光热转换效率。贵金属纳米颗粒将吸收的光能转化为电子谐振的动能，继而通过晶格对电子的散射把这一能量转化为晶格的振动能。晶格的振动能又进一步转化为热量，而热量可以进一步传递到周围环境，从而使环境的温度升高。贵金属纳米颗粒的小体积使得加热可以只局域在一个亚微米的空间，突破了传统加热方法很难局域化的缺点。同时由于在共振波长处，贵金属纳米颗粒的光吸收截面大大超过其物理截面，所以它们具有很强的光热转换能力。贵金属的光热转换效应已被广泛应用于热成像，热医疗，热催化等领域。

热致变色材料是一类可以依靠环境温度变化而改变自身对入射光线吸收特性的热光功能材料，主要分为有机材料、液晶材料、无机材料三大类。对于传统的热致变色材料，它需要一个外加热源来驱动材料的变色行为，这样无疑会在应用时增加装置的体积或增大其复杂度。为了解决这一问题，人们把研究方向集中到如何将变色材料的变色温度与应用时环境的温度相匹配，而在这对材料改性的过程中，就会降低材料原本优良的光学性质。

对于现有的光致变色材料，它们只能在特定波长的光激发下才会发生颜色变化。这也就意味着，光致变色材料仅仅对很狭小的频谱范围内的光响应。

技术实现要素：

本发明针对现有光致变色、热致变色材料存在的局限与不足，提供一种利用太阳光驱动的热致变色材料及其制备方法，既保留了热致变色材料灵敏的变色性能，又将“热驱动”转变为“光驱动”。

本发明所采用的技术方案是提供一种太阳光驱动的热致变色材料的制备方法，先利用“种子-生长液”法合成各种具有不同等离子共振激发波长的金纳米粒子溶液后，再进行如下步骤：

(1)分别对制备的金纳米粒子溶液进行离心处理，再将得到的金纳米粒子分散在溶剂水中，得到金纳米粒子混合水溶液，调节各种金纳米粒子的配比，得到吸收光谱与太阳光的发射光谱相匹配的混合金纳米粒子水溶液；

(2)采用“加热-超声-自组装”法，合成二乙炔囊泡胶体，在254nm紫外光下聚合为聚二乙炔胶体溶液；

(3) 按体积比1：0.5～3:0.6～2，在质量分数为5%～15%的聚乙烯醇中，依次加入混合金纳米粒子水溶液、聚二乙炔胶体溶液，得到混合溶液；

(4)成膜后，在室温、避光、通风条件下晾干，得到一种薄膜状太阳光驱动的热致变色材料。

本发明技术方案还包括按上述制备方法得到的一种太阳光驱动的热致变色材料。

本发明利用“种子-生长液”法合成不同共振波长的金纳米粒子，并混合成为混合金纳米粒子，使得混合后的溶液吸收光谱与太阳发射光谱相吻合。利用“加热-超声-自组装”法合成二乙炔（DA）囊泡，并在波长254nm紫外光下诱发拓扑反应，形成聚二乙炔（PDA）囊泡胶体溶液。将混合金纳米粒子溶液、PDA和加热溶解得到的聚乙烯醇（PVA）溶液相混合。室温避光通风晾干后，得到利用太阳光驱动的热致变色材料。

与现有的光致变色或热致变色材料不同，本发明利用局域表面等离激元优异的光热转换特性，通过太阳光对贵金属纳米粒子的激发产生热，继而用热来驱动热致变色材料的变色行为。由于金纳米粒子的尺寸及共振波长可控，通过混合不同共振波长的金纳米粒子，可以使混合金纳米粒子溶液吸收光谱与太阳发射光谱相匹配，本发明提供的技术方案，利用太阳光能转化为热量，同时，通过控制混合金纳米粒子溶液浓度来精确的控制热致变色材料周围狭小空间的最高温度，摒弃了外加热源，既保持了热致变色材料原本优良的光学特性，又可直接利用外界光源进行变色，使热致变色材料成为可对太阳光响应的“光致变色材料”。

由于实施了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

1、本发明利用了局域表面等离激元优良的光热转换效应，提供了一种可直接通过光驱动的热致变色材料。摒弃了现有热致变色材料需要外加热源的缺陷，直接利用太阳光作为驱动力，将热致变色的材料转变为太阳光控的“光致变色”材料，且光热转换效应温度可控，材料变色灵敏、稳定性高，其应用更加方便、轻松，拓展了热致变色材料的应用领域。

2、本发明提供的太阳光驱动的热致变色材料具有热致变色材料成膜后透明性好，可弯折性和拉伸性好，具有极佳的力学和光学性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的混合金纳米粒子溶液的可见吸收光谱图；

图2为本发明实施例提供的混合金纳米粒子的TEM图像；

图3为本发明实施例提供的材料样品在太阳光下的升温曲线图；

图4为本发明实施例提供的材料样品在太阳光照射下薄膜颜色变化前后的红外成像对比照片图；

图5为本发明实施例提供的材料样品在太阳光照射下薄膜颜色变化前后的吸收光谱对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1

本实施例提供一种太阳光驱动的热致变色材料的制备方法，具体步骤如下：

1、利用“种子-生长液”法合成多种具有不同共振波长的金纳米粒子，例如最大吸收波长位置不同的金纳棒。金纳米粒子的合成方法可按文献“Gold nanorods and their plasmonic properties”（ Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 2679—2724）提供的步骤制备。

将合成得到的金纳米棒体系以适合的转速（如6000转/分钟）离心处理15分钟，吸去上层液，将下层沉淀分散在水中，再次以合适的转速（如3000转/分钟）离心处理15分钟，吸去上层液，将下层沉淀重新分散在水中，得到本实施例所需的金纳米粒子体系。按上述方法制备具有不同共振波长的金纳米粒子体系，按文献“Mass-Based Photothermal Comparison Among Gold Nanocrystals, PbS Nanocrystals, Organic Dyes, and Carbon Black”（J. Phys. Chem. C 2013, 117, 8909-8915）提供的方法，选择合适的配比将它们混合，调制混合金纳米粒子水溶液，使溶液的吸收光谱与太阳发射光谱相吻合。

参见附图1，它是本实施例提供的混合金纳米粒子溶液的可见吸收光谱图。

参见附图2，它是本实施例提供的混合金纳米粒子的TEM图像。

2、按文献“Mass-Based Photothermal Comparison Among Gold Nanocrystals,PbS Nanocrystals, Organic Dyes, and Carbon Black”（Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 2103–2109）提供的“加热-超声-自组装”方法，合成乳白色的二乙炔DA囊泡胶体。待其稳定12h后，照射波长为254nm的紫外光20min，得到本实施例所需的聚二乙炔PDA。

3、用水加热溶解聚乙烯醇PVA固体，得到本实施例所需的质量分数为8%的PVA溶液。

4、在5ml 8% PVA溶液中依次加入5ml 混合金纳米粒子溶液（最大吸光度为0.6）、5ml PDA，每加入一种溶液后需混合均匀。PVA、混合金纳米粒子溶液、PDA的体积比为1:1:1。

5、将混合溶液倒在直径为6.5cm的培养皿中，室温避光通风晾干。待48h晾干后，将薄膜从培养皿表面揭下。

将薄膜裁剪为约一平方厘米的方形样品，置于外界太阳光下，随着照射时间的增加，得到不同颜色的薄膜。

参见附图 3，它是本实施例提供的材料样品在太阳光下的升温曲线图。

参见附图4，它是本实施例提供的材料样品在太阳光照射下薄膜颜色变化前后的红外成像对比照片图。

参见附图5，它是本实施例提供的材料样品在太阳光照射下薄膜颜色变化前后的吸收光谱对比图；图中可见，其最大吸收波长位置由636nm蓝移至537nm。