蘇州大學ACS Nano封面：非晶結構色的混合疊加與復雜表面保形性涂敷

結構色是一種由可見光波長尺度的微納結構與光相互作用形成的物理生色效應。結構色避免了使用化學染料和色素帶來的環境污染，只要保持其微納結構完整就能實現永不退色，在涂料、紡織印染等領域具有廣闊的應用前景。

目前，制備結構色的主要方法是利用膠體微球組裝光子晶體和非晶光子結構。而其中非晶光子結構由于其不存在角度依賴的虹彩效應，往往在顯色領域具有更廣的應用空間，并受到越來越多的關注。但它有著組裝相對困難的缺點，并且同光子晶體一樣對復雜不規則基底表面的著色缺乏有效手段和控制。不僅如此，我們都知道自然光及顏料都能通過三原色的疊加或混合產生新的顏色，這對于通過有限的成色材料拓展更寬的色域具有重要意義。目前，混合結構色在光子晶體中報道較多，主要原因是光子晶體能夠通過方便的層層自組裝方式形成交替的異質蛋白石結構。而非晶光子結構的混合結構色則鮮有報道，一個重要原因就是目前大多數制備方法缺乏對非晶光子結構涂層的厚度及組裝進行較精細的控制。

近日，蘇州大學的張克勤教授團隊聯合中科院上海技術物理研究所、復旦大學、中科院蘇州納米所通過霧化沉積二氧化硅膠體微球及添加PVA粘合劑的方式可控制備大面積非晶結構色涂層，同時實現了非晶結構色的混合及精細調控。不僅如此，該方法能在復雜不規則物體表面上進行快速的保形性（conformal）涂敷，實現較好的“染色”并保留結構細節。最后，以蠶絲面料為例，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構色涂層具備較好的力學強度。

圖1. TOC圖，霧化沉積制備非晶結構色的示意圖及效果圖

空氣霧化器是一種常見的醫療保健器械，它能夠高效地將藥液霧化成極其微細的霧氣液滴，很容易地通過呼吸深入到肺、支氣管毛細血管部位，達到人體直接吸收的目的。受此啟發，研究團隊通過霧化沉積二氧化硅膠體微球及添加PVA粘合劑 的方式，在基底上均勻地沉積非晶光子晶體結構色涂層。通過選擇使用150-300納米的不同尺寸微球，非晶涂層可以產生覆蓋可見光范圍的不同顏色。PVA的添加，有效地打斷了膠體微球形成的長程有序結構，形成均勻的非晶結構，顏色均勻而無虹彩效應。

利用霧化沉積速率可調，均勻穩定的特點，研究者通過交替沉積藍色、綠色和粉色薄層作為三原色，然后兩兩在疊加區形成了新的混合色。通過掃描電子顯微鏡對斷面觀察發現，疊加區域各層都保持著較好的非晶結構，這表明這種霧化沉積的方法能夠實現精細的厚度調控，為非晶結構色的顏色疊加提供了思路與借鑒。

圖2. 非晶結構色涂層的顏色疊加

霧化沉積具有空間內全方向均勻沉積的特點。對于3D打印不規則物體，可以在復雜表面形成厚度均一，顏色均勻的結構色涂層，同時保留住結構的細節。甚至是在一百微米粗的頭發上都能保留住鱗片結構，非常類似于常用的原子層沉積技術。同時該方法對各種材質的襯底都具有較好的適用性，通過添加黑色吸收性物質如納米炭黑，研究者在白色襯底，金屬及淺色陶瓷襯底上都能夠制備出顏色鮮艷的非晶結構色涂層。

圖3. 非晶結構色涂層的保形性涂敷及各種材質襯底上的適用性

研究中添加PVA粘合劑不僅有利于形成非晶結構，同時還大大地提高了非晶結構色涂層的力學性能。研究者通過掩模板輔助在白色蠶絲面料上制備出復雜的彩色玫瑰花圖案。這種非晶結構色涂層很好地保留了絲綢面料的柔韌性，并且能經受多次拉伸而不發生脫落。參照紡織品的色牢度測試標準，研究者進行多次水洗與摩擦測試，發現這種涂層仍然具有較好的顏色穩定性和結構完整性。這些研究表明通過后期改進粘結技術及批量化制備工藝，這種霧化沉積的方法將會在紡織印染領域具備較好的應用前景。

圖4. 非晶結構色涂層在蠶絲面料形成的圖案及水洗和耐磨測試

這一成果近期發表在ACS Nano上，并被選為當期封面。文章的共同第一作者為蘇州大學博士研究生李青松和中國科學院上海技術物理研究所張亞峰博士，通訊作者為蘇州大學現代絲綢國家工程實驗室和紡織與服裝工程學院張克勤教授。同時本工作也得到了復旦大學物理系青年千人石磊教授和中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的張驍驊研究員及袁偉博士的大力幫助。

該論文作者為：Qingsong Li, Yafeng Zhang, Lei Shi, Huihui Qiu, Suming Zhang, Ning Qi, Jianchen Hu, Wei Yuan, Xiaohua Zhang, and Ke-Qin Zhang

原文鏈接：Additive Mixing and Conformal Coating of Noniridescent Structural Colors with Robust Mechanical Properties Fabricated by Atomization Deposition. ACS Nano 2018, 12, 4, 3095-3102.

本文由蘇州大學的張克勤教授團隊供稿。

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