天津大学宋东坡教授课题组 Adv. Mater.: 无视角依赖、高饱和度植物油基高分子结构色颜料

2025-03-06 来源：高分子科技

传统高分子自组装纳米结构中，组装基元通常形成各向异性的排列方式，结构色视角问题严重。结构缺陷会导致无序光散射强，结构色纯度和饱和度低，严重限制了此类材料的应用前景。制备无视角依赖、高纯度和高饱和度的结构色材料一直是领域内的核心挑战。

近日，天津大学宋东坡教授课题组与中国石油石油化工研究院技术专家张坤玉博士等人合作，利用两亲性可降解瓶刷嵌段共聚物作为巨型表面活性剂，克服了传统乳液熟化、聚并等失稳难题，实现了植物油和水的复杂乳液可控自组装，构筑了新型多室核壳光学玻璃结构(见图1)，获得了无视角依赖、高饱和度的红绿蓝三原色光子颜料。

图1. 非虹彩、高饱和度植物油基高分子结构色颜料

如图1所示，在结构色颗粒内部形成了短程有序排列的纳米水滴阵列和均匀分散的微米级油滴作为多室结构，其中纳米水滴通过两亲性瓶刷嵌段共聚物来稳定，而植物油滴则通过纳米水滴稳定。短程有序的液滴阵列产生无视角依赖的结构色，而即使当油含量升高至80 wt%时，结构色依然得以保持。如图2a所示，为了进一提高结构色的纯度和饱和度，该团队构筑了三种不同的光学结构，研究结果表明在结构色颗粒外面构筑一层聚多巴胺能高效的吸收颗粒间的无序散射(Incoherent Scattering)和形状因子散射(Form Factor Scattering)，将红色的纯度提高了近5倍以上，进而获得了高纯度和高饱和度的红绿蓝结构色颜料。

图2新型结构显著改善结构色纯度和饱和度

传统色素可通过红黄蓝三原色调配出任意颜色，该团队进一步展示了通过不同比例混合红绿蓝三原色颜料，成功调配出丰富多样的混合结构色，这些样品均表现出高饱和度，色度甚至超出了sRGB标准色域(见图3)。例如：通过不同的RGB混合绘制了孔雀图(图1)和福字的图案(图3)，调配出超过10种不同的混合色，为结构色颜料的应用奠定了基础。

图3使用高纯度RGB结构色颜料的丰富色彩调控

此类植物油基的结构色颜料制备简单，易于规模化放大。此外，结合该团队近期报道的瓶刷嵌段共聚物连续流公斤级合成技术(Song et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202421315)，为结构色颜料的大规模制备提供了可行方案，进而加速其迈向产业化进程。这些安全环保结构色颜料有望广泛替代有毒色素，广泛用于化妆品、日化品、涂料、环保油墨等场景。随着全球对无污染、高性能颜料需求的不断增长，这种基于结构色的可降解光子颜料有望成为传统化学颜料的环保替代品，助力相关行业向绿色可持续方向迈进。

硕士研究生张雨霞是该论文的第一作者，宋东坡教授为通讯作者。该项工作得到国家自然科学基金（No. 52273214）、国家重点研发计划（No.2024YFF1206200）和中国石油天然气股份有限公司的资助。

论文信息：Bio-Based Multicompartment Photonic Pigments: Unlocking Non-Iridescent Pure RGB Structural Colors for Versatile Chromatic Engineering

Yu-Xia Zhang, Yiran Wang, Kunyu Zhang, Dezhi Liu, Rida Fatima, Yuesheng Li, Dong-Po Song*

Advanced Materials 2025, 2501303. DOI: 10.1002/adma.202501303

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202501303

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