颜色美得堪比孔雀羽毛，电子科大团队造出自生长的光子晶体复合材料 环球短讯

来源：DeepTech深科技 　2023-01-18 11:32:24


(资料图片仅供参考)

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当第一次看到孔雀羽毛时，很多人都会赞叹于那种夺目的绚丽，那是一种人类无法复制的自然之美。无法复制，但却可以借鉴。这不，在电子科技大学基础与前沿研究院教授的一篇论文里，就出现了孔雀羽毛的图案。
（来源： Nature Communications）
除了孔雀，自然界的许多生物体和矿物质，都具有丰富的颜色。根据颜色产生机理的不同，可将其分为色素色和结构色两大类。
以染料和颜料为代表的色素色，来源于其分子内特定发色基团对可见光的选择性吸收；而结构色则来源于物理结构对光的调制作用, 包括衍射、干涉以及散射等物理效应。
基于结构色无毒、环保且视觉效果栩栩如生的优势，其在机械传感、柔性显示、光学涂层和防伪材料等领域具有广泛的应用前景。
在大自然里，结构色的生色方式主要以光子晶体结构生色为主。受光子晶体结构色研究热潮的鼓舞，人工制备光子晶体材料吸引了科学家们极大的兴趣。
目前，涉及人工制备光子晶体材料的关键技术，在于制备各种复杂、有序的周期性纳米结构。然而，精细的加工工艺、高额的加工成本和极高的合成水准限制了它的发展。
此外，在应用实践中，比如化妆品、服装、安全、生物分析、传感器、电器和汽车等领域，多色图案化是十分必要的。因此，对结构色材料进行图案化可大大提升其附加值。
然而，现有所获结构色图案往往不稳定、分辨率低，可控性较差，同时伴随材料脆、不能后加工等问题，与天然的结构色材料亦形成鲜明对比。
（来源： Nature Communications）
所以，通过开发简单的方法，来制造颜色鲜艳、性能可控的结构色多色图案化材料，具有十分重要的意义。
据介绍，该团队是最早研究生长材料的课题组之一，近年来一直致力于解决生长材料目前存在的生长次数受限、调控不灵活等问题。
但是，目前可用的生长系统仅拥有简单的聚合物基质，与自然界生物体中观察到的精细、有序的复合结构相比相去甚远。
为此，课题组通过查阅大量文献，找到多个与生长材料、结构色领域相关的方向，最终确定了具体的研究方案。同时，探寻了需要用到的原材料和生长材料中种子样品的制备方案。
接着，他们摸索并改进了适用于生长方案的种子的制备条件，借此制备出不同的种子样品。然后，研究团队尝试将所设计的基于光聚合和酯交换耦合反应的光诱导聚合策略，用于种子样品的生长。经过多次尝试，得到了颜色由紫到红的各类生长样品。另外，对于这些生长样品的形貌、光学性能等，他们也进行了表征。
（来源： Nature Communications）
随后，课题组探索了生长样品的力学性能，经过摸索之后赋予了生长样品力学性能的可控性。最后，他们利用光的时空可控优势，制备了非均匀辐射的多种多色图像/图案化产品。
图 | 崔家喜（来源：）
而在探讨孔雀小尾羽枝的微纳结构过程中，该团队遇到了些许困难。对于购买得到的孔雀尾羽，一直不清楚其小羽枝的横断面形貌如何获取。这导致在前期研究中，始终无法获得孔雀小尾羽枝的微纳结构。
后来经过与拍摄扫描电镜老师的多次探讨，才逐渐掌握了获取小羽枝的横截面的技巧。而由于孔雀小羽枝的羽毛太过细小，研究人员在寻找横断面时经常容易“空切”样品，经过多次尝试后才得到了孔雀小尾羽枝的微纳结构。
同时，由于电子科大位于四川，川剧是当地的传统戏剧，他们还以此为灵感做了一个川剧脸谱的图案。
（来源： Nature Communications）
近日，相关论文以《具有可编程颜色和机械性能的自生长光子复合材料》（）为题发表在 Nature Communications 上，Juan Xue 是第一作者，担任通讯作者。
图 | 相关论文 （来源： Nature Communications）
具体来说，该研究解决了结构色领域内现存在的一些不足。对于制造颜色鲜艳、性能可控的结构色多色图案化材料，此次成果具有十分重要的意义。
同时，对于拓展人工制备光子晶体材料的应用领域也是一种积极的尝试，尤其是给柔性传感、智能显示器件等领域的深入应用提供了一种新的可能。
此外他们发现，通过酸解纤维素获得的纳米微晶纤维素，是一种理想的光子晶体原料。纳米微晶纤维素是一种高度结晶的天然聚合物，其形貌呈纳米针状，在静电作用下可以自组装形成胆甾型液晶。
通过选择性反射波长与其螺距相匹配的圆偏振光，纳米微晶纤维素可形成绚丽的虹彩结构色。当溶剂充分挥发后，其自组装形成的液晶结构色可被保留在自支撑膜中。
基于此课题组认为，纳米微晶纤维素是最有前景的结构色构筑材料之一，尤其在防伪涂料、液晶材料、生化传感和显示器件等领域有较高的研究价值。
在后续研究中，他们希望对纳米微晶纤维素结构色膜实现如下构想：即通过后加工处理的方式，对调控结构色进行精确调整。具体来说，研究组拟采用基于光聚合和酯交换耦合反应的光诱导聚合策略，来构筑基于纳米微晶纤维素光子晶体的自生长虹彩弹性体。
参考资料：
1.Xue, J., Yin, X., Xue, L. et al. Self-growing photonic composites with programmable colors and mechanical properties. Nat Commun13, 7823 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35555-0

关键词： 光子晶体 微晶纤维素 孔雀羽毛

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