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浙工大王旭教授課題組《Nanoscale Horiz.》封面：“真彩色”調(diào)色板 - 二元亞穩(wěn)態(tài)光子晶體
2022-07-28  來(lái)源：高分子科技

  光子晶體因其物理生色機(jī)理而呈現(xiàn)出永不褪色、環(huán)境友好的結(jié)構(gòu)色，使其成為未來(lái)著色材料的理想之選。與傳統(tǒng)化學(xué)顏料最大的差異在于，光子顏料雖然擁有單一光子帶隙對(duì)應(yīng)的“真彩色”特性，例如高色彩分辨率、高色彩穩(wěn)定性等，但由于長(zhǎng)程有序光子結(jié)構(gòu)的難以調(diào)諧性，傳統(tǒng)光子晶體無(wú)法通過(guò)混合實(shí)現(xiàn)類(lèi)似傳統(tǒng)顏料的色彩多樣性，極大限制了光子晶體在顯示、傳感等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。盡管最近的研究表明可以通過(guò)多個(gè)長(zhǎng)程有序光子結(jié)構(gòu)的光子帶隙疊加實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色的混合操控，但其代價(jià)往往是失去“真彩色”的本質(zhì)優(yōu)勢(shì)，即色彩的分辨率與穩(wěn)定性。此外，受限于構(gòu)筑單元的強(qiáng)結(jié)晶趨勢(shì)與難以調(diào)控的組裝行為，難以構(gòu)筑得到擁有有效光學(xué)性質(zhì)的二元光子系統(tǒng)。這些原因均使得光子顏料在實(shí)際生產(chǎn)生活中難以與傳統(tǒng)化學(xué)顏料相抗衡。


  本文創(chuàng)新性地構(gòu)建了二元亞穩(wěn)態(tài)光子晶體，以獲得可精確尋址的“真彩色"。以貽貝的超強(qiáng)粘附和長(zhǎng)角天牛的光子鞘翅為靈感，通過(guò)調(diào)控驅(qū)動(dòng)力與構(gòu)筑單元表面粗糙度來(lái)協(xié)同調(diào)節(jié)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)因素，成功構(gòu)建了具有可調(diào)諧光子帶隙的二元亞穩(wěn)態(tài)光子晶體，建立了構(gòu)筑單元體積分?jǐn)?shù)和光子帶隙之間的定量關(guān)系，并且巧妙地利用了亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)特有的紫外特性，再現(xiàn)了傳統(tǒng)混色無(wú)法得到的真紫色（Violet），實(shí)現(xiàn)了符合加色混合的“真彩”調(diào)色板效應(yīng)。此外，得益于這種光子顏料的獨(dú)特性能，其穩(wěn)定性和應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步擴(kuò)展。這種新型的光子顏料不僅解決了現(xiàn)有色料都是混合色的本質(zhì)窘境，而且實(shí)現(xiàn)了真彩色的可調(diào)性和多樣性，有望為世界調(diào)色板提供了新的選擇。

 

圖1. 二元亞穩(wěn)態(tài)光子顏料的構(gòu)筑及其調(diào)色盤(pán)效應(yīng)示意圖 


圖2.（a）長(zhǎng)角天牛的光學(xué)圖像，插圖為其生色結(jié)構(gòu)的混合排列；（b）三原色單組份光子顏料（紅：298 nm；綠：231 nm；藍(lán)：199 nm）和二元光子顏料的光學(xué)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(yīng)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(shí)驗(yàn)測(cè)量（實(shí)線）及3D-FDTD計(jì)算（虛線）得到的二元亞穩(wěn)態(tài)光子結(jié)構(gòu)（298 nm: 231 nm=1: 1）的反射光譜


圖3.由不同體積分?jǐn)?shù)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(wěn)態(tài)光子顏料的(a)光學(xué)照片及(b)反射光譜；（c）由不同體積分?jǐn)?shù)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(wěn)態(tài)光子顏料的明度指數(shù)


圖4.由不同體積分?jǐn)?shù)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(wěn)態(tài)光子顏料的（a）光學(xué)圖像及（b）反射光譜;（c）實(shí)驗(yàn)測(cè)量（實(shí)線）及3D-FDTD計(jì)算（虛線）得到的二元亞穩(wěn)態(tài)光子結(jié)構(gòu)（298 nm: 199 nm=1: 1）的反射光譜 


圖5.（a）PDA與PEI的反應(yīng)機(jī)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(wěn)定性測(cè)試前后的光學(xué)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(chuàng)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(huà)


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


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

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