自然界中許多生物體表面具有絢麗的結構色彩及表面彩虹現象，其實質在于其內部周期性有序結構，即布拉格光反射現象。這種結構的材料又被稱為光子晶體。師法自然以自組裝為手段，構筑人造有序結構光子晶體引起廣泛關注。然而，由于組裝有序微結構材料過程中受到外界環境諸因素影響，致使光子晶體膜易于產生咖啡環及開裂現象，嚴重阻礙了大面積膠體光子晶體膜的構筑，成為此領域極富挑戰的課題之一。

近日，南京工業大學化工學院及材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授實驗室在國家自然科學基金重點項目（21736006）和國家重點研發計劃(2016YFB0401700)、江蘇省高校優勢學科建設工程、材料化學工程國家重點實驗室基金的支持下，發展了一種膠體光子晶體成膜的新方法，解決了膠體乳液成膜困難、無法大面積施工的問題。該研究成果以“Large-scale colloidal films with robust structural colors”為題發表在國際材料頂級期刊《Materials Horizons》（Jing Zhang, Zhijie Zhu, Ziyi Yu, Luting Ling, Cai-Feng Wang* and Su Chen*， Mater. Horiz., 2018, DOI: 10.1039/c8mh00248g）上。

研究者受到牛奶加熱表面易產生“牛奶皮效應”的啟發，通過對液滴組成以及成膜條件的精確控制，巧妙地在膠體粒子組裝過程中引入一層“膠體皮”，很好地解決了由于非均相體系不均勻揮發導致的咖啡環效應。基于這一理論，研究者還實現了結構色的全光譜打印，對功能材料圖案化、高性能器件制備及3D打印、多彩光子晶體墨水創制等具有重要意義。同時，此方法又可以借助輥涂、噴涂手段分別可實施結構色的大面積涂覆與膠體粒子的大面積組裝，成功制備出90 × 70 cm的膠體光子晶體膜，并將其用于LED背光源顯示器增亮。該研究獲得審稿人高度評價：“This is a very interesting paper describing the printing of structural colored images. What is particularly impressive is the ability to address the full color spectrum and to ability to achieve a near uniform photonic response over large areas.” 這項研究成果提升了對光子晶體自組裝規律的認知水平，也拓展與豐富了多維度功能材料組裝的制備手段。對光子晶體材料產業化應用具有重要的現實意義。課題組在此領域近一年發表了一系列光子晶體組裝工作：ACS Photonics, 2018, DOI: 10.1021/acsphotonics.8b00952; Small Methods 2018, 0, 1800104; Nanoscale 2018, 10, 19147-19153; J. Mater. Chem. C, 2018, 6(30): 8187-8193.

圖文導讀

圖1 基于“膠體皮”效應的膠體粒子揮發聚并自組裝過程。

a) 基于“牛奶皮”效應的膠體粒子揮發聚并自組裝過程示意圖； b) 自然界“牛奶皮”示意圖。c) 光子晶體全光譜打印技術及LED增亮應用。

圖2 膠體粒子自組裝過程研究。

a) 噴墨打印光子晶體過程液滴下落；b) 液滴的共聚焦圖像；c-e）不同環境溫度、乳液濃度下液滴形貌控制。

圖3 噴墨打印法構筑光子晶體圖案

a) 環境溫度和濕度對“膠體皮”生成的影響； b) 基底親疏水性對噴墨打印的影響； c, d) 噴墨打印精密圖案。

圖4 噴涂法構筑全光譜光子晶體結構色

a) 噴涂法構筑全光譜光子晶體結構色； b-c) 全光譜光子晶體的角度依賴行為。d) 噴涂法構筑光子晶體圖案。

圖5 絲棒輥涂法構筑大面積膠體光子晶體膜

a-c) 絲棒輥涂法構筑大面積膠體光子晶體膜; d, e) 大面積膠體光子晶體膜用于LED增亮。

全文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/mh/c8mh00248g#!divAbstract 來源：高分子科學前沿