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浙工大王旭教授課題組《Nanoscale Horiz.》封面：“真彩色”調色板 - 二元亞穩態光子晶體

2022-07-28 來源：高分子科技

光子晶體因其物理生色機理而呈現出永不褪色、環境友好的結構色，使其成為未來著色材料的理想之選。與傳統化學顏料最大的差異在于，光子顏料雖然擁有單一光子帶隙對應的“真彩色”特性，例如高色彩分辨率、高色彩穩定性等，但由于長程有序光子結構的難以調諧性，傳統光子晶體無法通過混合實現類似傳統顏料的色彩多樣性，極大限制了光子晶體在顯示、傳感等領域的進一步發展。盡管最近的研究表明可以通過多個長程有序光子結構的光子帶隙疊加實現結構色的混合操控，但其代價往往是失去“真彩色”的本質優勢，即色彩的分辨率與穩定性。此外，受限于構筑單元的強結晶趨勢與難以調控的組裝行為，難以構筑得到擁有有效光學性質的二元光子系統。這些原因均使得光子顏料在實際生產生活中難以與傳統化學顏料相抗衡。

本文創新性地構建了二元亞穩態光子晶體，以獲得可精確尋址的“真彩色"。以貽貝的超強粘附和長角天牛的光子鞘翅為靈感，通過調控驅動力與構筑單元表面粗糙度來協同調節熱力學與動力學因素，成功構建了具有可調諧光子帶隙的二元亞穩態光子晶體，建立了構筑單元體積分數和光子帶隙之間的定量關系，并且巧妙地利用了亞穩態結構特有的紫外特性，再現了傳統混色無法得到的真紫色（Violet），實現了符合加色混合的“真彩”調色板效應。此外，得益于這種光子顏料的獨特性能，其穩定性和應用范圍得到進一步擴展。這種新型的光子顏料不僅解決了現有色料都是混合色的本質窘境，而且實現了真彩色的可調性和多樣性，有望為世界調色板提供了新的選擇。

圖1. 二元亞穩態光子顏料的構筑及其調色盤效應示意圖

圖2.（a）長角天牛的光學圖像，插圖為其生色結構的混合排列；（b）三原色單組份光子顏料（紅：298 nm；綠：231 nm；藍：199 nm）和二元光子顏料的光學圖像；（c）由298 nm和231 nm PDA@SiO₂ NPs制備的二元光子顏料的反射光譜，虛線為模擬得到的反射光譜；（d）二元光子顏料的SEM圖像，插圖為其相應的2D FT圖案；（e）二元光子顏料的仿真模型（紅球：298 nm；綠球：231 nm）；（f）實驗測量（實線）及3D-FDTD計算（虛線）得到的二元亞穩態光子結構（298 nm: 231 nm=1: 1）的反射光譜

圖3.由不同體積分數的298 nm和231 nm（298 nm: 231 nm=5: 1, 2: 1, 1: 1, 1: 2, 1: 5）PDA@SiO₂ NPs制備的二元亞穩態光子顏料的(a)光學照片及(b)反射光譜；（c）由不同體積分數的298 nm和231 nm （298 nm: 231 nm=5: 1, 2: 1, 1: 1, 1: 2, 1: 5）PDA@SiO₂ NPs制備的二元亞穩態光子顏料的明度指數

圖4.由不同體積分數的298 nm和199 nm（298 nm: 199 nm=5: 1, 2: 1, 1: 1, 1: 2, 1: 5）PDA@SiO₂ NPs制備的二元亞穩態光子顏料的（a）光學圖像及（b）反射光譜;（c）實驗測量（實線）及3D-FDTD計算（虛線）得到的二元亞穩態光子結構（298 nm: 199 nm=1: 1）的反射光譜

圖5.（a）PDA與PEI的反應機理；光子顏料在PEI處理前后的（b）紅外光譜和（c，d）水接觸角；（e）使用SiO₂，PDA@SiO₂和PDA@SiO₂+PEI制備的光子顏料在刮擦、超聲和擦拭等穩定性測試前后的光學圖像；（f）由PDA@SiO₂與PDA@SiO₂+PEI制備的光子顏料在超聲破壞前后的反射光譜

圖6.（a）梵高與1890年創作的《花瓶中的鳶尾花》；（b）噴涂法繪制的《花瓶中的鳶尾花》光子畫

相關成果以“A true color palette: binary metastable photonic pigments”為題，發表于Nanoscale Horizons，并入選為期刊封面文章（Outside Back Cover）。這項工作的第一作者為浙江工業大學博士生周立康，通訊作者為浙江工業大學王旭教授。

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/nh/d2nh00232a

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（責任編輯：xu）

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