高折射率微球在結(jié)構(gòu)生色領(lǐng)域的研究取得系列研究進(jìn)展
顏色在國(guó)民生活中必不可少，在安全、傳感和日常生活的服裝、汽車(chē)等領(lǐng)域中都具有舉足輕重的意義。顏色的產(chǎn)生主要有色素生色和結(jié)構(gòu)生色兩種方式。色素生色是我們熟知的染料或顏料對(duì)光的選擇性吸收產(chǎn)生的顏色，而結(jié)構(gòu)生色是光線照射到結(jié)構(gòu)單元與可見(jiàn)光波長(zhǎng)相近的規(guī)整微納結(jié)構(gòu)后，通過(guò)干涉、衍射或散射，選擇性反射或散射特定波長(zhǎng)的光而產(chǎn)生的顏色，例如蝴蝶翅膀的亮麗色彩。結(jié)構(gòu)生色具有環(huán)保、高耐候性、高色飽和度和色彩易于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，不僅是取代染料、顏料的新型選擇，也在響應(yīng)傳感和防偽加密等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。最近，精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張淑芬教授團(tuán)隊(duì)的武素麗教授從產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的基元材料出發(fā)，在基于高折射率微球的結(jié)構(gòu)色領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)展。
(1)基于氧化亞銅單晶球Mie的散射實(shí)現(xiàn)色彩靚麗、無(wú)虹彩、高色牢度的彩色織物
日常生活的服裝都離不開(kāi)顏色，因此織物的著色在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的地位。傳統(tǒng)的織物著色是利用染料或顏料來(lái)實(shí)現(xiàn)的，然而，染料或顏料的復(fù)雜分子不僅生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，且在染色過(guò)程也存在廢水處理成本高和光牢度差等問(wèn)題。相比之下，結(jié)構(gòu)色具有生態(tài)友好、色彩鮮艷、抗褪色等優(yōu)點(diǎn)，有望成為一種新型紡織品著色劑。鑒于此，本團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于氧化亞銅（Cu2O）單晶球Mie散射產(chǎn)生靚麗、無(wú)虹彩、高色牢度的織物著色策略。采用噴霧法在商業(yè)粘合劑預(yù)處理的織物表面制備了無(wú)序的Cu2O薄層(~0.6 μm)，由于Cu2O單晶球的強(qiáng)Mie散射，該薄層能產(chǎn)生靚麗、無(wú)虹彩的結(jié)構(gòu)色。并且結(jié)合商用粘合劑，使得織物的色牢度大幅度提高，耐曬、耐摩擦牢度分別達(dá)到6和5級(jí)。該方法不但克服了目前采用光子晶體對(duì)織物著色時(shí)耐摩擦牢度差的問(wèn)題，還大大減少微球的用量，每平米3g Cu2O單晶球就可達(dá)到靚麗的色彩，為結(jié)構(gòu)生色在紡織品著色領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。研究成果以“Structural Colored Fabrics with Brilliant Colors, Low Angle Dependence, and High Color Fastness Based on the Mie Scattering of Cu2O Spheres”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上(DOI: 10.1021/ acsami.1c17288)。文章的第一作者為大連理工大學(xué)韓亞群碩士生，通訊作者為武素麗教授。
(2)基于ZnS納米微球的具有高靈敏度的熱致/力致雙變色性能的人工變色龍皮膚
變色龍因其獨(dú)特的動(dòng)態(tài)偽裝特性而廣為人知，它能在外界刺激下通過(guò)虹膜細(xì)胞的收縮和拉伸，快速靈敏地調(diào)節(jié)皮膚的顏色。研究發(fā)現(xiàn)在變色龍的皮膚中，由鳥(niǎo)嘌呤納米晶體和細(xì)胞液構(gòu)成的非緊密堆積結(jié)構(gòu)光子晶體結(jié)構(gòu)是其實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)偽裝的關(guān)鍵因素。受此啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種由ZnS微球和響應(yīng)型聚合物構(gòu)筑的非緊密堆積光子晶體結(jié)構(gòu)，其中ZnS微球和響應(yīng)型聚合物的折射率分別匹配了變色龍皮膚中鳥(niǎo)嘌呤納米晶體和細(xì)胞液的折射率?；谡w結(jié)構(gòu)較高的有效折射率和兩種構(gòu)筑材料間較大的折射率對(duì)比，這種光子晶體薄膜表現(xiàn)了亮麗的結(jié)構(gòu)色和高靈敏度的熱致/力致雙響應(yīng)變色能力。壓力由0變到20%該人工變色龍皮膚的顏色就可以從紅色變到藍(lán)色，靈敏度遠(yuǎn)高于采用低折射率微球構(gòu)筑的非緊密堆積結(jié)構(gòu)。如此靈敏的性質(zhì)使其在柔性膜平整度檢測(cè)等多種傳感響應(yīng)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。研究成果以“Artificial Chameleon Skin with Super-Sensitive Thermal and Mechanochromic Response”為題發(fā)表在《ACS Nano》上(DOI: 10.1021/ acsnano.1c05612)。文章的第一作者為我校吳越博士生，通訊作者為武素麗教授。
(3)基于ZnS納米微球的光子晶體結(jié)構(gòu)中的偏振依存性研究
由納米微球構(gòu)筑的蛋白石類(lèi)的三維光子晶體是最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)生色方式之一，研究發(fā)現(xiàn)其反射性質(zhì)通常與結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)、有效折射率和反射角度等相關(guān)。但在武素麗教授的最新研究中發(fā)現(xiàn)，由折射率較高的ZnS納米微球構(gòu)筑的面心立方密堆積的光子晶體結(jié)構(gòu)(ZnS PC)中所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色同樣受到入射光的偏振狀態(tài)的影響。當(dāng)反射角為60o時(shí)，入射光由s偏振光變?yōu)閜偏振光會(huì)使得ZnS PC的反射峰出現(xiàn)大于30 nm的藍(lán)移。且隨著制備光子晶體的ZnS納米微球直徑的增加，其峰位移程度增大，產(chǎn)生明顯的偏振依存的結(jié)構(gòu)色。這種獨(dú)特的偏振依存的反射峰波長(zhǎng)，結(jié)合著光子晶體中廣泛存在的反射率各向異性，導(dǎo)致ZnS PC所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色呈現(xiàn)明顯的偏振依存性和角度依存性，兩者的復(fù)合使其在防偽領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)具有更好的性能。研究成果以“Polarization-Dependent Structural Color in ZnS Nanosphere-Based Photonic Crystals for Anti-Counterfeiting Applications”為題發(fā)表在《ACS Applied Nano Materials》上。文章的第一作者為我校吳越博士生，通訊作者為武素麗教授。
(4)介電納米顆粒的共振散射性質(zhì)的調(diào)控
在納米級(jí)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)光的聚集和調(diào)控是納米光子學(xué)的研究基礎(chǔ)。其中，尺寸在亞波長(zhǎng)范圍的介電納米顆粒作為一種新型納米光學(xué)材料，即表現(xiàn)出強(qiáng)烈的電磁共振散射，且能量耗散可以忽略不計(jì)。近十年來(lái)，高效介電納米諧振器的設(shè)計(jì)取得了巨大進(jìn)展。最近，武素麗教授攜手新加披國(guó)立大學(xué)劉小鋼教授團(tuán)隊(duì)，系統(tǒng)分析總結(jié)了介電納米顆粒的電磁散射相關(guān)的光學(xué)性質(zhì)表征，以及從單顆粒的共振散射特性到由多顆粒組裝形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中多模態(tài)干涉的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。其中，特別著重分析了用于操縱遠(yuǎn)場(chǎng)的Mie散射，增強(qiáng)局部電磁場(chǎng)和增強(qiáng)磁共振的新策略。此外還討論了基于介電納米顆粒的類(lèi)Fano共振，單向散射和光子波導(dǎo)等現(xiàn)象的實(shí)現(xiàn)。最后，論文還強(qiáng)調(diào)了介電納米顆粒的應(yīng)用潛力，展望了全介電或金屬介電復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的研究前景，特別是功能化介電材料的設(shè)計(jì)和三維全介電結(jié)構(gòu)的制備。 相關(guān)工作以“Resonant Scattering Manipulation of Dielectric Nanoparticles”為題發(fā)表在《Advanced Optical Materials》上(DOI: 10.1002/adom.202100112)。文章第一、第二作者分別為新加坡國(guó)立大學(xué)的徐佳惠博士后和大連理工大學(xué)的吳越博士生，武素麗教授和新加坡國(guó)立大學(xué)劉小鋼教授為共同通訊作者。
上述相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、遼寧省科技廳、大連市科技局、大連理工大學(xué)等的資助支持。
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