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史上最輕彩色涂料，靈感來自蝴蝶

俗話說“五色并立，史上陰陽成彩”。最輕自蝴色彩是彩色河南建工商貿(mào)有限公司生活中最直接、最豐富的涂料感覺。自19世紀(jì)中期開發(fā)出第一批合成染料以來，靈感色彩在生活中的史上應(yīng)用隨處可見，大到建筑物的最輕自蝴標(biāo)志、地標(biāo)，彩色小到一副裝飾畫、涂料一張圖片。靈感通常情況下，史上所有的最輕自蝴河南建工商貿(mào)有限公司商業(yè)著色劑都是根據(jù)顏料材料的電子特性來控制光吸收，因此每種顏色都需要一個(gè)新的彩色分子。盡管化學(xué)著色劑可以大規(guī)模生產(chǎn)，涂料但不少都含有有毒有害物質(zhì)并且在回收過程中很難去除，靈感有可能對(duì)地球環(huán)境和水資源造成污染。另一方面，由于化學(xué)不穩(wěn)定性，許多著色劑會(huì)隨著時(shí)間的推移而褪色，這一過程會(huì)隨著溫度的升高或曝光而加速。此外，它們通常需要幾微米的體積才能獲得足夠的顏色飽和度，因此分辨率較低。相比之下，結(jié)構(gòu)著色劑是基于納米結(jié)構(gòu)的幾何排列來控制光的反射、散射或吸收方式，具有高亮度、高飽和度、永不褪色、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。如圖1B所示，歡樂女神蝶呈現(xiàn)出的藍(lán)色金屬光澤是由于其翅鱗上具有復(fù)雜的分層納米結(jié)構(gòu)，后者可以操縱光層，導(dǎo)致某些顏色相互抵消，只有藍(lán)色被反射。然而，由于其響應(yīng)的幾何性質(zhì)，結(jié)構(gòu)著色劑通常呈現(xiàn)定向效應(yīng)，即其顏色會(huì)隨著觀察者的位置以及入射光的角度和偏振而變化，同時(shí)目前還無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

近日，美國中佛羅里達(dá)大學(xué)的DebashisChanda教授課題組開發(fā)了一種自組裝的亞波長(zhǎng)等離激元腔，即利用無色材料鋁和氧化鋁的納米級(jí)結(jié)構(gòu)排列來產(chǎn)生顏色，并可通過入射光與間隙等離激元耦合來呈現(xiàn)出與角度和偏振無關(guān)的鮮艷結(jié)構(gòu)色（圖1C）。該材料不僅可大規(guī)模制備，而且與商業(yè)粘合劑相結(jié)合后可形成各種顏色的涂料，這種涂料的面積厚度比很大，實(shí)現(xiàn)全色的涂料厚度僅為150nm，表面密度僅為0.4g/m是迄今為止最輕的彩色涂料。至于輕到什么程度？作者表示，涂遍一架波音747飛機(jī)，這種等離激元涂料只需要1.3kg，而傳統(tǒng)的商業(yè)涂料則需要500kg[1]。相關(guān)成果發(fā)表在ScienceAdvances上。

其次，厚度質(zhì)量的增加和光譜偏移會(huì)導(dǎo)致光學(xué)諧振變寬，作者將這種現(xiàn)象歸因于納米顆粒共振的不均勻變寬，后者是由尺寸和空間分布的雙重隨機(jī)性引起的（圖3A），其中尺寸的增加會(huì)導(dǎo)致所產(chǎn)生顏色的反射對(duì)比度和飽和度的降低以及共振的明顯加寬（圖3B），而空間分布的影響則可以通過相互作用等離激元諧振器的相對(duì)位置的依賴性來解釋。事實(shí)上，時(shí)域有限差分（FiniteDifferenceTimeDomain，F(xiàn)DTD）模擬的反射曲線顯示出光譜偏移（圖3C、3D），其中有序結(jié)構(gòu)的偶極共振僅在共振波長(zhǎng)內(nèi)激發(fā)，而無序和隨機(jī)無序構(gòu)型甚至在共振光譜外也顯示出激發(fā)。

為了證明等離激元自組裝結(jié)構(gòu)的多功能性，作者在翼狀的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）模板上生長(zhǎng)了幾個(gè)納米堆疊物來生產(chǎn)多色蝴蝶模型（圖4A），其對(duì)偏振和角度的不敏感性明顯優(yōu)于其它結(jié)構(gòu)，例如：涂有結(jié)構(gòu)藍(lán)的蝴蝶模型在非偏振和兩種正交線性偏振狀態(tài)下沒有明顯的色差（圖4B），這是因?yàn)槠駸o關(guān)性源于無序自組裝層的各向同性；而該蝴蝶模型在天頂角和方位角的三種不同組合下的結(jié)果顯示，無論入射角如何，顏色都保持不變（圖4C），這是因?yàn)榭涨坏膩啿ㄩL(zhǎng)特性使得結(jié)構(gòu)的顏色對(duì)入射角非常不敏感。另外，作者將10nm氧化鋁間隔層固定在鍍鋁PET薄膜上，成功地生長(zhǎng)了三個(gè)具有5nm、8nm和12nm納米顆粒層的樣品，它們分別對(duì)應(yīng)于CMY顏色模型中的三原色（圖4D）。盡管生動(dòng)明亮，但在平面基板中觀察到的鏡面著色在許多應(yīng)用中不方便。為此，作者在噴砂PET薄膜上生長(zhǎng)納米堆疊來產(chǎn)生擴(kuò)散著色（圖4E），這是因?yàn)閲娚癙ET薄膜的使用會(huì)導(dǎo)致表面均勻地散射光，同時(shí)保持對(duì)偏振和角度的不敏感性。

接下來，作者通過“結(jié)構(gòu)混合”來擴(kuò)大色域，即通過改變兩種納米粒子覆蓋的面積比來控制最終的顏色（圖5A）。具體而言：作者制備了間隔層厚度分別為10nm、15nm和20nm、混合比為100%的樣品（圖5B），圖5C顯示了這些樣品的顯微鏡圖像。隨著混合比值的增加，反射曲線從RA過渡到RB（圖5D），這意味著仔細(xì)選擇平面內(nèi)的混合比，可以生成由基底相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)坐標(biāo)范圍內(nèi)的任何顏色（圖5E），但無法生成邊界外的顏色（如綠色）。為此，作者利用等離激元納米顆粒的多層結(jié)構(gòu)（即在鋁鏡、10nm氧化物層和10nm等效納米島組成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)自組裝層）來產(chǎn)生新的顏色（圖5F），并通過間隔層的厚度質(zhì)量和納米島薄膜之間的空隙來控制顏色外觀（圖5G），從而成功地產(chǎn)生了一系列單層結(jié)構(gòu)無法獲得的綠色陰影。

總結(jié)

DebashisChanda教授課題組開發(fā)了一種自組裝的亞波長(zhǎng)等離激元腔，即利用無色材料鋁和氧化鋁的納米級(jí)結(jié)構(gòu)排列來產(chǎn)生顏色，并通過入射光與間隙等離激元耦合來呈現(xiàn)出與角度和偏振無關(guān)的鮮艷結(jié)構(gòu)色。該材料不僅可大規(guī)模制備，而且能與亞麻籽油混合來配制各種顏色的涂料，并將其涂覆于任何表面，進(jìn)一步展現(xiàn)出該材料的實(shí)用性。

Ultralightplasmonicstructuralcolorpaint

PabloCencillo-Abad,DanielFranklin,PamelaMastranzo-Ortega,JavierSanchez-Mondragon,DebashisChanda

,2023,DOI:10.1126/

參考資料：

1.UCFResearcherCreatesWorld’sFirstEnergy-savingPaint–InspiredbyButterflies