陈宇昕同学在偏光全息材料研究中取得新进展
由于石墨烯具有优异的电子、光学和机械特性，在过去十年中受到了科学界的极大关注。但石墨烯在聚合物基底中难以均匀分散，阻碍了其在聚合物功能材料中的直接应用。为了克服这一障碍，通过化学改性后的氧化石墨烯（GO）具有多种官能团，其在水和N-甲基吡咯烷酮（NMP）等有机溶剂中展现出了良好的亲水性和分散性。 陈宇昕提出了将GO分散在NMP有机溶剂中，并将其引入菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）光致聚合物中，一方面GO可以很好的分散在聚合物体系中，另一方面NMP对于感光剂PQ具有很高的溶解度，极大程度提高了体系感光剂的浓度。通过如图1（a）的制备流程，成功制得了GO掺杂PQ/PMMA（GO-g-PMMA/PQ）的偏光全息存储材料。 |
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图1（a）GO-g-PMMA/PQ光致聚合物的合成流程； 不同GO掺杂浓度材料的 (b) 偏光全息衍射效率和 (c) 感光灵敏度； 不同PQ掺杂浓度材料的 (d) 折射率调制度和 (e) 紫外可见吸收光谱 |
通过对比图1(b-e)，引入共聚单体NMP后，聚合物体系的PQ浓度从1.0wt%提升到1.3wt%，通过对材料的性能测试，材料偏光全息衍射效率、感光灵敏度和折射率调制度等性能得到了显著提升。 |
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图2 (a) 原始GO和 (b) GO-g-PMMA的原子力显微镜图； (c) 原始GO和 (d) GO-g-PMMA的透射电镜图； GO-g-PMMA/PQ (e) 300nm和 (f) 100nm分辨率的透射电镜图 |
同时通过多种表征手段进一步明晰了GO纳米片的微观作用机理，如图2(a-d)，对比聚合前后的GO纳米片，聚合后的GO纳米片表面厚度明显增加，并且由于PMMA在其表面发生嫁接，导致了GO纳米片的透明度明显降低，表面出现了褶皱。从图2(e,f)可以观察到GO-g-PMMA/PQ聚合物的透明度很低，其主要原因是GO表面可吸附大量的PQ分子，从而促进光反应过程PQ/PMMA光产物的形成，进而提高材料的全息特性。 |
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图3 (a) 不同GO掺杂浓度材料的重均分子量和衍射效率； (b)通过自由基聚合的GO-g-PMMA/PQ材料结构示意图 |
利用凝胶渗透色谱仪（GPC）系统测试了不同GO掺杂浓度聚合物材料的重均分子量，从图3(a)可知聚合物的分子量和材料的全息性能具有正相关性，从而明晰了GO调控材料全息性能的微观机理。因此通过自由基的两步聚合法，GO可在热反应阶段引发MMA发生聚合，并且使得聚合物PMMA在其表面发生嫁接，在光反应阶段PQ与MMA和PMMA皆会发生反应，生成最终如图3(b)的光产物。 |
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图4 GO-g-PMMA/PQ光致聚合物增强偏振全息性能微观机理图 |
本工作首次提出了GO纳米掺杂对光致聚合物作用的微观机理（如图4）：GO不仅会诱导聚合物聚合并在其表面发生嫁接，而且会吸附光敏剂在聚合物周围发生聚集，进而促进光聚合反应进行。更为重要的是，本研究工作进一步明晰了PQ/PMMA材料光聚合反应机理并第一次揭露材料偏光全息性质与聚合物材料分子量之间的深层次关联。相关高性能偏振敏感材料有望满足偏光全息数据存储要求，且光致聚合微观机理的明晰为后续设计新型聚合物功能材料提供策略指引，具有重要现实意义。 |
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相关成果以“Significant Enhancement of the Polarization Holographic Performance of Photopolymeric Materials by Introducing Graphene Oxide”被国际权威期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（大类一区Top, IF=8.758）接收。发表在ACS Applied Materials & Interfaces Vol.13, No.23, 27500-27512 (2021)上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c07390 |
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(2021.06.06)
