大连理工：高折射率微球在结构生色领域的研究取得系列研究进展

颜色在国民生活中必不可少，在安全、传感和日常生活的服装、汽车等领域中都具有举足轻重的意义。颜色的产生主要有色素生色和结构生色两种方式。色素生色是我们熟知的染料或颜料对光的选择性吸收产生的颜色，而结构生色是光线照射到结构单元与可见光波长相近的规整微纳结构后，通过干涉、衍射或散射，选择性反射或散射特定波长的光而产生的颜色，例如蝴蝶翅膀的亮丽色彩。结构生色具有环保、高耐候性、高色饱和度和色彩易于动态调节等特点，不仅是取代染料、颜料的新型选择，也在响应传感和防伪加密等领域具有重要应用潜力。最近，大连理工大学精细化工国家重点实验室张淑芬教授团队的武素丽教授从产生结构色的基元材料出发，在基于高折射率微球的结构色领域取得系列研究进展。

(1)基于氧化亚铜单晶球Mie的散射实现色彩靓丽、无虹彩、高色牢度的彩色织物

日常生活的服装都离不开颜色，因此织物的着色在国民经济中具有重要的地位。传统的织物着色是利用染料或颜料来实现的，然而，染料或颜料的复杂分子不仅生产过程复杂，且在染色过程也存在废水处理成本高和光牢度差等问题。相比之下，结构色具有生态友好、色彩鲜艳、抗褪色等优点，有望成为一种新型纺织品着色剂。

鉴于此，本团队开发了一种基于氧化亚铜（Cu2O）单晶球Mie散射产生靓丽、无虹彩、高色牢度的织物着色策略。采用喷雾法在商业粘合剂预处理的织物表面制备了无序的Cu2O薄层(~0.6 μm)，由于Cu2O单晶球的强Mie散射，该薄层能产生靓丽、无虹彩的结构色。并且结合商用粘合剂，使得织物的色牢度大幅度提高，耐晒、耐摩擦牢度分别达到6和5级。该方法不但克服了目前采用光子晶体对织物着色时耐摩擦牢度差的问题，还大大减少微球的用量，每平米3g Cu2O单晶球就可达到靓丽的色彩，为结构生色在纺织品着色领域的实际应用奠定了基础。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”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上(DOI: 10.1021/ acsami.1c17288)。文章的第一作者为大连理工大学韩亚群硕士生，通讯作者为武素丽教授。

(2)基于ZnS纳米微球的具有高灵敏度的热致/力致双变色性能的人工变色龙皮肤

变色龙因其独特的动态伪装特性而广为人知，它能在外界刺激下通过虹膜细胞的收缩和拉伸，快速灵敏地调节皮肤的颜色。研究发现在变色龙的皮肤中，由鸟嘌呤纳米晶体和细胞液构成的非紧密堆积结构光子晶体结构是其实现其动态伪装的关键因素。

受此启发，该团队开发了一种由ZnS微球和响应型聚合物构筑的非紧密堆积光子晶体结构，其中ZnS微球和响应型聚合物的折射率分别匹配了变色龙皮肤中鸟嘌呤纳米晶体和细胞液的折射率。基于整体结构较高的有效折射率和两种构筑材料间较大的折射率对比，这种光子晶体薄膜表现了亮丽的结构色和高灵敏度的热致/力致双响应变色能力。压力由0变到20%该人工变色龙皮肤的颜色就可以从红色变到蓝色，灵敏度远高于采用低折射率微球构筑的非紧密堆积结构。如此灵敏的性质使其在柔性膜平整度检测等多种传感响应领域具有极大的应用前景。研究成果以“Artificial Chameleon Skin with Super-Sensitive Thermal and Mechanochromic Response”为题发表在《ACS Nano》上(DOI: 10.1021/ acsnano.1c05612)。文章的第一作者为吴越博士生，通讯作者为武素丽教授。

(3)基于ZnS纳米微球的光子晶体结构中的偏振依存性研究

由纳米微球构筑的蛋白石类的三维光子晶体是最常见的结构生色方式之一，研究发现其反射性质通常与结构的晶格常数、有效折射率和反射角度等相关。但在武素丽教授的最新研究中发现，由折射率较高的ZnS纳米微球构筑的面心立方密堆积的光子晶体结构(ZnS PC)中所产生的结构色同样受到入射光的偏振状态的影响。当反射角为60o时，入射光由s偏振光变为p偏振光会使得ZnS PC的反射峰出现大于30 nm的蓝移。且随着制备光子晶体的ZnS纳米微球直径的增加，其峰位移程度增大，产生明显的偏振依存的结构色。这种独特的偏振依存的反射峰波长，结合着光子晶体中广泛存在的反射率各向异性，导致ZnS PC所产生的结构色呈现明显的偏振依存性和角度依存性，两者的复合使其在防伪领域应用时具有更好的性能。

研究成果以“Polarization-Dependent Structural Color in ZnS Nanosphere-Based Photonic Crystals for Anti-Counterfeiting Applications”为题发表在《ACS Applied Nano Materials》上。文章的第一作者为吴越博士生，通讯作者为武素丽教授。

(4)介电纳米颗粒的共振散射性质的调控

在纳米级范围内实现对光的聚集和调控是纳米光子学的研究基础。其中，尺寸在亚波长范围的介电纳米颗粒作为一种新型纳米光学材料，即表现出强烈的电磁共振散射，且能量耗散可以忽略不计。近十年来，高效介电纳米谐振器的设计取得了巨大进展。

最近，武素丽教授携手新加披国立大学刘小钢教授团队，系统分析总结了介电纳米颗粒的电磁散射相关的光学性质表征，以及从单颗粒的共振散射特性到由多颗粒组装形成的复杂结构中多模态干涉的理论和实验进展。其中，特别着重分析了用于操纵远场的Mie散射，增强局部电磁场和增强磁共振的新策略。此外还讨论了基于介电纳米颗粒的类Fano共振，单向散射和光子波导等现象的实现。最后，论文还强调了介电纳米颗粒的应用潜力，展望了全介电或金属介电复合纳米结构的研究前景，特别是功能化介电材料的设计和三维全介电结构的制备。相关工作以“Resonant Scattering Manipulation of Dielectric Nanoparticles”为题发表在《Advanced Optical Materials》上(DOI: 10.1002/adom.202100112)。文章第一、第二作者分别为新加坡国立大学的徐佳惠博士后和大连理工大学的吴越博士生，武素丽教授和新加坡国立大学刘小钢教授为共同通讯作者。

上述相关工作得到了国家自然科学基金委、辽宁省科技厅、大连市科技局、大连理工大学等的资助支持。

来源：大连理工大学