地物光譜儀在熱致變色材料表征中的應(yīng)用

光譜和圖像是人們認(rèn)識(shí)、識(shí)別地物的兩種重要依據(jù)。遙感技術(shù)通過(guò)遙感影像可以解決圖譜合一的問(wèn)題，即將物質(zhì)成分決定的地物光譜與反映地物存在格局的空間影像完整地結(jié)合了起來(lái)，對(duì)每一個(gè)空間影像的像素賦予它本身具有的特征光譜信息，但遙感影像與地物之間的聯(lián)系，需要通過(guò)地物光譜來(lái)識(shí)別。地物光譜儀是通過(guò)測(cè)量地物光譜，來(lái)實(shí)現(xiàn)這種聯(lián)系的常用儀器之一，廣泛用于遙感測(cè)量、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)、森林和海洋學(xué)研究、礦物勘探等各領(lǐng)域。地物光譜儀測(cè)量原理是利用不同地物對(duì)太陽(yáng)光的反射不同，反射率與入射波長(zhǎng)之間的變化規(guī)律，將反射率與波長(zhǎng)之間關(guān)系繪成地物反射光譜曲線(xiàn)。不同地物由于物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)不同具有不同的反射光譜特性。因而可以根據(jù)地物光譜儀所測(cè)不同地物光譜，結(jié)合遙感傳感器所接收到的電磁波光譜特征的差異，達(dá)到識(shí)別不同地物的目的。因此，地物光譜儀可以快速便捷的實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的反射光譜表征。

可逆熱致變色材料是一類(lèi)當(dāng)溫度達(dá)到某一特定的范圍時(shí)，材料的顏色會(huì)發(fā)生改變，而當(dāng)溫度恢復(fù)到初溫后，顏色也會(huì)隨之復(fù)原的智能型材料。經(jīng)過(guò)幾十年的研究與發(fā)展，人們已開(kāi)發(fā)出了無(wú)機(jī)、有機(jī)、液晶、聚合物以及生物大分子等各類(lèi)具有這種特性的材料。其應(yīng)用范圍也從最初的示溫材料拓展到現(xiàn)在日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，并隨著新型材料的開(kāi)發(fā)逐步發(fā)展到了分析、傳感等高新科技領(lǐng)域。熱致變色材料可以用來(lái)制造溫度敏感的智能玻璃窗，此智能玻璃窗可以使建筑物實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的有效調(diào)制，充分利用太陽(yáng)能產(chǎn)生的熱量。最近，浙江大學(xué)能源材料研究室的科研人員開(kāi)發(fā)出一種基于離子液體的環(huán)保型熱致變色材料體系。他們利用無(wú)蒸汽壓、熱穩(wěn)定高的室溫離子液體作為新型熱致變色體系的溶劑，可以制備出多種顏色改變的熱致變色體系。紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)通常被用來(lái)對(duì)表征材料的光學(xué)特征。對(duì)于熱致變色材料的表征，紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)必須添置升溫和保溫附件，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同溫度下材料光譜信息的采集，在一定程度上使材料的光譜表征帶來(lái)一定困難。同時(shí)，分光光度計(jì)具有一定的量程控制，一般要求所測(cè)物質(zhì)的吸光度值小于1。對(duì)于較大吸光度的溶液需要進(jìn)行必要的稀釋后才可以進(jìn)行分光光度計(jì)表征。但熱致變色溶液的變色特征往往與溶液的濃度有密切的關(guān)系，因此，尋求一種快速便捷的熱致變色材料表征技術(shù)是急需解決的課題。本研究結(jié)合地物光譜儀的操作特點(diǎn)，對(duì)新型熱致變色材料進(jìn)行熱致變色光譜分析，在熱致變色材料表征技術(shù)方面開(kāi)拓地物光譜儀的新應(yīng)用。

1實(shí)驗(yàn)方法

本研究所采用的熱致變色材料由浙江大學(xué)提供，此類(lèi)熱致變色材料根據(jù)所溶解的金屬離子不同，在室溫下表現(xiàn)出不同的顏色。目前報(bào)道的主要體系為在室溫下表現(xiàn)為藍(lán)色的鈷系，黃色的鐵系，綠色的鎳系，紅色的鉻系以及淺黃色的鎳鐵混合系材料。在本研究中，將鎳系熱致變色體系作為代表性材料，通過(guò)地物光譜儀對(duì)其進(jìn)行熱致變色光譜分析。為了研究不同離子濃度對(duì)熱致變色效果的影響，將分別采用兩種濃度的鎳系溶液（分別稱(chēng)為高濃度與低濃度鎳系溶液）進(jìn)行地物光譜儀檢測(cè)，并與傳統(tǒng)的分光光度計(jì)（VarianCary5000，USA）結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)地物光譜儀的新應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將熱致變色材料置于帶加熱功能的磁力攪拌器上進(jìn)行加熱，攪拌器自帶的溫度傳感器可以對(duì)加熱體系的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)熱致變色材料加熱到某一溫度時(shí)，將地物光譜儀的光纖探頭置于熱致變色溶液液面以上約5厘米處，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。地物光譜儀在每一次采集數(shù)據(jù)前，均由標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行校準(zhǔn)。將同一溫度下所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均值處理，然后繪制材料反射率與光譜波長(zhǎng)的關(guān)系圖，觀察不同溫度下，材料的反射光譜變化。同時(shí)，材料在不同溫度下的顏色變化也通過(guò)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行記錄采集。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1為分光光度計(jì)對(duì)低濃度鎳系溶液的熱致變色表征結(jié)果，由圖可以看出，此溶液的吸收光譜具有兩個(gè)明顯的吸收波段，分別在波長(zhǎng)422nm和600～800nm之間。隨著溫度的升高，600～800nm波段的吸收峰表現(xiàn)出強(qiáng)烈的溫度依賴(lài)性，并且吸收峰有藍(lán)移趨勢(shì)。另外一個(gè)特征是處于422nm的吸收峰隨著溫度的變化基本上不發(fā)生明顯的改變。此結(jié)果與文獻(xiàn)的結(jié)果一致。由于圖1給出的是光的吸收特征，因此，從圖上無(wú)法直觀的讀出此材料的顏色與溫度的關(guān)系。同時(shí)，由于設(shè)備限制，分光光度計(jì)也只可以檢測(cè)到70℃以下材料的光譜變化。

圖1分光光度計(jì)對(duì)低濃度鎳系溶液的熱致變色表征結(jié)果

圖2可以看出不同熱致變色溶液在不同溫度下的顏色改變，其中的C溶液即為分光光度計(jì)表征的低濃度鎳系熱致變色體系。由圖可以看出，低濃度的鎳系溶液室溫下呈現(xiàn)出淺黃綠色，但當(dāng)溫度升到～70℃以上時(shí)，顏色變?yōu)樯罹G色。溫度繼續(xù)升高到～100℃以上時(shí)，顏色變?yōu)榱怂{(lán)色（圖2d）。而這種有綠色到藍(lán)色的顏色轉(zhuǎn)變是通過(guò)分光光度計(jì)無(wú)法檢測(cè)到的（如圖1）。因此，我們嘗試了采用地物光譜儀記錄不同溫度下，低濃度鎳系溶液的顏色變化，結(jié)果如圖3所示。

圖2不同熱致變色溶液的不同溫度下的顏色變化

a）～30℃，（b）～56℃，（c）～76℃，（d）～100℃C

溶液為低濃度鎳系熱致變色體系，A為鉻系，B為鈷系，D為鐵系，E為鎳鐵混合系

圖3不同溫度下低濃度鎳系溶液的地物光譜儀檢測(cè)結(jié)果

圖3中的目標(biāo)物的反射率是地物光譜儀直接測(cè)量數(shù)據(jù)。如圖3所示，在室溫下，低濃度鎳系溶液反射峰位于500～600nm之間，即對(duì)應(yīng)于黃綠色，與圖2a中的顏色對(duì)應(yīng)。隨著溫度的升高，發(fā)現(xiàn)此溶液的反射率降低，說(shuō)明此材料吸收較多的光，顏色表現(xiàn)出變深的趨勢(shì)。另外，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物的反射峰向藍(lán)紫色方向偏移，即顏色向藍(lán)紫色進(jìn)行過(guò)渡。當(dāng)溫度達(dá)到～100℃左右時(shí)，材料的反射光已經(jīng)比較弱，而且此時(shí)反射峰位于波長(zhǎng)520nm處，即綠色與藍(lán)色交叉波段。圖3的結(jié)果與圖2的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，由此可見(jiàn)，地物光譜儀可以有效地反映材料的熱致變色效應(yīng)。我們還研究了高濃度的鎳系溶液的熱致變色效應(yīng)。如圖4所示，高濃度的鎳系溶液在室溫下呈現(xiàn)出綠色，但當(dāng)溫度升到50℃左右時(shí)，顏色變得較深，幾乎觀察不到光的反射。尤其是到了75℃左右，顏色變成黑色，即無(wú)光反射。由于此溶液的濃度較高，所以吸光度超出了分光光度計(jì)的量程，所以無(wú)法采用分光光度計(jì)進(jìn)行表征檢測(cè)。我們通過(guò)地物光譜儀進(jìn)行了此溶液的熱致變色效應(yīng)（結(jié)果如圖5所示），室溫下，材料的最主要的反射光波長(zhǎng)處于～550nm，與低濃度的鎳系溶液相比，發(fā)生了較明顯的紅移，即溶液的顏色變深，呈現(xiàn)出綠色。隨著溫度的升高，目標(biāo)物的反射率不斷降低，反射峰所在位置發(fā)生紅移。尤其到了80℃左右時(shí)，目標(biāo)物的反射率基本為0，說(shuō)明此時(shí)溶液變成黑色，完全不透明狀態(tài)，如圖4所示。由此可見(jiàn)，地物光譜儀可以對(duì)熱致變色溶液的熱致變色特性進(jìn)行較準(zhǔn)確的定性和定量表征。本研究也表明了地物光譜儀的應(yīng)用可以拓展到材料研究中。

圖4不同溫度下高濃度鎳系溶液的顏色變化

圖5不同溫度下高濃度鎳系溶液的地物光譜儀檢測(cè)結(jié)果

3結(jié)論

本文主要展開(kāi)了將地物光譜儀用于熱致變色材料的熱致變色特性研究。地物光譜儀可以準(zhǔn)確快速的記錄熱致變色材料的溫度依賴(lài)的顏色改變過(guò)程，可以作為紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)表征的有效補(bǔ)充，是熱致變色材料的有效表征技術(shù)手段。

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審核編輯 黃昊宇