浙工大王旭教授课题组《Nanoscale Horiz.》封面：“真彩色”调色板 - 二元亚稳态光子晶体

2022-07-28 来源：高分子科技

光子晶体因其物理生色机理而呈现出永不褪色、环境友好的结构色，使其成为未来着色材料的理想之选。与传统化学颜料最大的差异在于，光子颜料虽然拥有单一光子带隙对应的“真彩色”特性，例如高色彩分辨率、高色彩稳定性等，但由于长程有序光子结构的难以调谐性，传统光子晶体无法通过混合实现类似传统颜料的色彩多样性，极大限制了光子晶体在显示、传感等领域的进一步发展。尽管最近的研究表明可以通过多个长程有序光子结构的光子带隙叠加实现结构色的混合操控，但其代价往往是失去“真彩色”的本质优势，即色彩的分辨率与稳定性。此外，受限于构筑单元的强结晶趋势与难以调控的组装行为，难以构筑得到拥有有效光学性质的二元光子系统。这些原因均使得光子颜料在实际生产生活中难以与传统化学颜料相抗衡。

本文创新性地构建了二元亚稳态光子晶体，以获得可精确寻址的“真彩色"。以贻贝的超强粘附和长角天牛的光子鞘翅为灵感，通过调控驱动力与构筑单元表面粗糙度来协同调节热力学与动力学因素，成功构建了具有可调谐光子带隙的二元亚稳态光子晶体，建立了构筑单元体积分数和光子带隙之间的定量关系，并且巧妙地利用了亚稳态结构特有的紫外特性，再现了传统混色无法得到的真紫色（Violet），实现了符合加色混合的“真彩”调色板效应。此外，得益于这种光子颜料的独特性能，其稳定性和应用范围得到进一步扩展。这种新型的光子颜料不仅解决了现有色料都是混合色的本质窘境，而且实现了真彩色的可调性和多样性，有望为世界调色板提供了新的选择。

图1. 二元亚稳态光子颜料的构筑及其调色盘效应示意图

图2.（a）长角天牛的光学图像，插图为其生色结构的混合排列；（b）三原色单组份光子颜料（红：298 nm；绿：231 nm；蓝：199 nm）和二元光子颜料的光学图像；（c）由298 nm和231 nm PDA@SiO₂ NPs制备的二元光子颜料的反射光谱，虚线为模拟得到的反射光谱；（d）二元光子颜料的SEM图像，插图为其相应的2D FT图案；（e）二元光子颜料的仿真模型（红球：298 nm；绿球：231 nm）；（f）实验测量（实线）及3D-FDTD计算（虚线）得到的二元亚稳态光子结构（298 nm: 231 nm=1: 1）的反射光谱

图3.由不同体积分数的298 nm和231 nm（298 nm: 231 nm=5: 1, 2: 1, 1: 1, 1: 2, 1: 5）PDA@SiO₂ NPs制备的二元亚稳态光子颜料的(a)光学照片及(b)反射光谱；（c）由不同体积分数的298 nm和231 nm （298 nm: 231 nm=5: 1, 2: 1, 1: 1, 1: 2, 1: 5）PDA@SiO₂ NPs制备的二元亚稳态光子颜料的明度指数

图4.由不同体积分数的298 nm和199 nm（298 nm: 199 nm=5: 1, 2: 1, 1: 1, 1: 2, 1: 5）PDA@SiO₂ NPs制备的二元亚稳态光子颜料的（a）光学图像及（b）反射光谱;（c）实验测量（实线）及3D-FDTD计算（虚线）得到的二元亚稳态光子结构（298 nm: 199 nm=1: 1）的反射光谱

图5.（a）PDA与PEI的反应机理；光子颜料在PEI处理前后的（b）红外光谱和（c，d）水接触角；（e）使用SiO₂，PDA@SiO₂和PDA@SiO₂+PEI制备的光子颜料在刮擦、超声和擦拭等稳定性测试前后的光学图像；（f）由PDA@SiO₂与PDA@SiO₂+PEI制备的光子颜料在超声破坏前后的反射光谱

图6.（a）梵高与1890年创作的《花瓶中的鸢尾花》；（b）喷涂法绘制的《花瓶中的鸢尾花》光子画

相关成果以“A true color palette: binary metastable photonic pigments”为题，发表于Nanoscale Horizons，并入选为期刊封面文章（Outside Back Cover）。这项工作的第一作者为浙江工业大学博士生周立康，通讯作者为浙江工业大学王旭教授。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/nh/d2nh00232a

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（责任编辑：xu）

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