热致变色光子晶体是一类绿色环保的新型热敏打印材料。与传统基于Leuco染料和显影剂的热敏纸不同，热致变色光子晶体具有衍射可见光而产生的结构色，在各种化学及辐照条件下不易褪色，具有良好的显色稳定性。此外，热致变色光子晶体不含有害的染料或显影剂，如传统热敏纸中干扰人体雌激素活性的双酚A和双酚S，因此符合健康环保的需求。然而颇为遗憾的是，已报道的热致变色光子晶体由于变色响应缓慢、印刷过程步骤多、使用油墨/显影液液体耗材、依赖高功率激光器件等原因，很少应用于热敏印刷。最近，我院葛建平教授团队报道了一种具有多层一体化结构的新型热致变色光子晶体材料，并开发了防水稳定可剪裁的光子晶体绿色热敏纸和基于该材料的快速热敏印刷技术，相关成果在线发表在材料学领域顶尖学术期刊Advanced Materials (2023, DOI: 10.1002/adma.202309344)上。
研究人员将疏水的二氧化硅胶粒刮涂在A4复印纸承载的相变材料石蜡（Para）表面形成胶体光子晶体涂层（HPO-SiO2-PC），并喷涂聚氨酯（PU）保护层，最终形成具有热致变色效应的PU/HPO-SiO2-PC/Para一体化多层膜。当温度达到石蜡熔点时，石蜡迅速融化并渗入胶体晶的颗粒间隙，从而不可逆地改变光子晶体结构色，实现毫秒级的快速热致变色（图1）。该材料兼容全固态、低成本的便携式热敏打印机，能够利用一步印刷过程，快速打印出具有276DPI分辨率、6级灰阶的结构色图案，为绿色化热敏印刷提供成熟的解决方案。
图1. PU/HPO-SiO2-PC/Para一体化多层膜的制备及热致变色过程
一体化多层膜结构和疏水性材料的使用赋予上述光子晶体热敏纸良好的溶剂稳定性。研究表明，将印有图案的热敏纸浸泡在茶水、啤酒、可乐、果汁、牛奶、咖啡、香水等日常生活经常触及的液体中20小时，结构色图案不会产生任何变化，解决了传统热敏纸材料遇水褪色的难题（图2）。此外，一体化多层膜结构还大幅提高热敏纸的机械稳定性。人们可利用打印机上的切纸刀将热敏纸轻松切下，并在纸上随意折叠、剪裁、装订、书写，具有良好的使用体验（图3）。
图2. 光子晶体热敏纸与传统热敏纸的溶剂稳定性对比
图3.可折叠、书写、剪裁和装订的光子晶体热敏纸
该成果得到国家自然科学基金委经费支持，华东师范大学化学与分子工程学院上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室的博士研究生张欣、硕士研究生尹田为论文的共同第一作者，葛建平教授为论文的通讯作者。
论文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202309344
Thermochromic Photonic Crystal Paper with Integrated Multi-layer Structure and Fast Thermal Response: A Waterproof and Mechanically Stable Material for Structural-colored Thermal Printing
Xin Zhang, Tian Yin, Jianping Ge*
Adv. Mater.2023, DOI: 10.1002/adma.202309344