チャネリングされたヒドロゲルネットワークにおける明るい白色度の高速スイッチング

Fast Switching of Bright Whiteness in Channeled Hydrogel Networks.

• Amanda Eklund
• Hang Zhang
• Hao Zeng
• Arri Priimagi
• Olli Ikkala

抄録

周期的なフォトニック構造による色素の吸収・反射の他に、天然種はしばしば光散乱を利用して白色度を達成している。合成ヒドロゲルは、刺激応答性の高い材料やデバイスの開発の機会を提供しているが、従来、光散乱による高白色度化を実現するための理想的な材料とは考えられていなかった。ここでは、パーコレーションされた空チャネルを持つポリ(-イソプロピルアクリルアミド)ヒドロゲルネットワーク(ch-PNIPAm)が、アガロースとPNIPAmの半貫通ネットワーク内の物理的なアガロースゲルを除去することによって得られる、温度変化に応じて切り替え可能な明るい白色度を有することが実証されている。このヒドロゲルは室温では透明性が高く、35℃以上では明るく白色になる。従来のPNIPAmと比較して、ch-PNIPAmハイドロゲルは800nmで80%の高い反射率を示し、18倍速い相転移速度を示します。ｃｈ-ＰＮＩＰＡｍのナノスコピックチャネルは、相転移時の水の拡散を促進し、その結果、より小さな細孔の形成を可能にし、ゲル内の白色度を向上させることができます。さらに、数十ミリ秒という高速な光熱応答を実現することができます。このユニークな特性により、可視光を効率よく散乱するch-PNIPAmハイドロゲルは、スマートウィンドウ、光スイッチ、そして本報告書で実証されているように、熱応答性カラーディスプレイなどに利用できる可能性がある。

Beside pigment absorption and reflection by periodic photonic structures, natural species often use light scattering to achieve whiteness. Synthetic hydrogels offer opportunities in stimuli-responsive materials and devices; however, they are not conventionally considered as ideal materials to achieve high whiteness by scattering due to the ill-defined porosities and the low refractive index contrast between the polymer and water. Herein, a poly(-isopropylacrylamide) hydrogel network with percolated empty channels (ch-PNIPAm) is demonstrated to possess switchable bright whiteness upon temperature changes, obtained by removing the physical agarose gel in a semi-interpenetrating network of agarose and PNIPAm. The hydrogel is highly transparent at room temperature and becomes brightly white above 35 °C. Compared to conventional PNIPAm, the ch-PNIPAm hydrogel exhibits 80% higher reflectance at 800 nm and 18 times faster phase transition kinetics. The nanoscopic channels in the ch-PNIPAm facilitate water diffusion upon phase transition, thus enabling the formation of smaller pores and enhanced whiteness in the gel. Furthermore, fast photothermally triggered response down to tens of milliseconds can be achieved. This unique property of the ch-PNIPAm hydrogel to efficiently scatter visible light can be potentially used for, e.g., smart windows, optical switches, and, as demonstrated in this report, thermoresponsive color displays.

© 2020 The Authors. Published by WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.