【集萃網(wǎng)觀察】結(jié)構(gòu)色廣泛存在于自然界中，是一種由可見光波長尺度的微納結(jié)構(gòu)與光相互作用形成一系列干涉、衍射或散射而產(chǎn)生顏色的物理生色效應(yīng)。與傳統(tǒng)的由色素或染料參與的化學(xué)生色不同，結(jié)構(gòu)色只要微納結(jié)構(gòu)保持完整，就能達到永不褪色的效果，同時能夠避免使用化學(xué)染料和色素帶來一系列復(fù)雜的環(huán)境污染問題，在涂料、紡織印染、化妝品、顯示等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
近日，蘇州大學(xué)的張克勤教授團隊聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所、復(fù)旦大學(xué)、中科院蘇州納米所的研究成果，報道了一種通過霧化沉積納米二氧化硅膠體微球及添加PVA黏合劑的方式可控制備大面積非晶結(jié)構(gòu)色涂層，并實現(xiàn)非晶結(jié)構(gòu)色的混合及精細調(diào)控的方法。不僅如此，該方法可在復(fù)雜不規(guī)則物體表面實現(xiàn)快速3D保形性（conformal）涂覆，進行較好的“染色”并保留結(jié)構(gòu)細節(jié)。以蠶絲面料為例，研究團隊展示了該方法能夠很好地對紡織品進行“印染上色”，在保留其原有柔性和拉伸性的同時，結(jié)構(gòu)色涂層具備較好的力學(xué)強度。研究成果近期發(fā)表在ACS Nano 上。
空氣霧化器是一種常見的醫(yī)療保健器械，能夠高效地將藥液霧化成極其細微的霧氣液滴，很容易地通過呼吸深入到肺、支氣管毛細血管部位，達到被人體直接吸收的目的。受此啟發(fā)，該研究團隊通過霧化沉積納米二氧化硅膠體微球及添加PVA黏合劑的方式，在基底均勻地沉積非晶光子晶體結(jié)構(gòu)色涂層。他們選擇150~300nm不同尺寸的微球，非晶結(jié)構(gòu)涂層可以產(chǎn)生覆蓋可見光范圍的不同顏色。添加PVA的作用之一是有效地打斷了膠體微球形成的長程有序結(jié)構(gòu)，形成均勻的非晶結(jié)構(gòu)，并且得到的涂層顏色沒有角度依賴性。
非晶結(jié)構(gòu)色涂層的光學(xué)性質(zhì)及其微觀結(jié)構(gòu)
研究中添加PVA黏合劑的另一個作用是大大提高了非晶結(jié)構(gòu)色涂層的力學(xué)性能。利用霧化沉積速率可調(diào)、均勻穩(wěn)定的特點，研究者通過交替沉積藍色、綠色和粉色薄層作為三原色，然后在重合區(qū)兩兩疊加形成新的混合色，通過光譜表征驗證了這種非晶結(jié)構(gòu)色涂層能夠疊加生成新的顏色。為了實現(xiàn)更精細的顏色疊加混合，作者先在基底沉積一層藍色層，然后依次沉積不同厚度的綠色層，最終實現(xiàn)了3個梯度的混合色。通過掃描電子顯微鏡對斷面觀察發(fā)現(xiàn)，疊加區(qū)域各層都保持著較好的非晶結(jié)構(gòu)，表明這種霧化沉積的方法能夠?qū)崿F(xiàn)精細的厚度調(diào)控，為非晶結(jié)構(gòu)色的顏色疊加提供了思路與借鑒。
非晶結(jié)構(gòu)色涂層的顏色疊加
霧化沉積具有空間內(nèi)全方向均勻沉積的特點。他們將通過3D打印得到的不規(guī)則物體置入霧氣中，可以在各復(fù)雜表面形成厚度均一、顏色均勻的結(jié)構(gòu)色涂層，同時保留原有結(jié)構(gòu)的細節(jié)，甚至在100μm粗的頭發(fā)上都能保留鱗片結(jié)構(gòu)，與常用的原子層沉積技術(shù)非常類似。同時，該方法對各種材質(zhì)的襯底都具有較好的適用性和附著性。通過添加黑色吸收性物質(zhì)如納米炭黑，作者在白色襯底、金屬及淺色陶瓷襯底上都能夠制備出顏色鮮艷的非晶結(jié)構(gòu)色涂層。
非晶結(jié)構(gòu)色涂層的保形性涂敷及各種材質(zhì)襯底上的適用性
研究者通過掩模板輔助的方法，在白色蠶絲面料上制備出復(fù)雜的彩色玫瑰花圖案。這種共形的非晶結(jié)構(gòu)色涂層很好地保留了絲綢面料的柔韌性，并且能經(jīng)受多次拉伸不發(fā)生脫落。參照紡織品的色牢度測試標準，他們進行了多次水洗與摩擦測試，發(fā)現(xiàn)這種涂層仍然具有較好的顏色穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性。研究表明，通過后期進一步改進黏結(jié)技術(shù)及批量化制備工藝，這種霧化沉積的方法將會在紡織印染領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
非晶結(jié)構(gòu)色涂層在蠶絲面料形成的圖案及水洗和耐磨的測試
來源：X-MOL
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