苏州大学ACS Nano封面：非晶结构色的混合叠加与复杂表面保形性涂敷

结构色是一种由可见光波长尺度的微纳结构与光相互作用形成的物理生色效应。结构色避免了使用化学染料和色素带来的环境污染，只要保持其微纳结构完整就能实现永不退色，在涂料、纺织印染等领域具有广阔的应用前景。

目前，制备结构色的主要方法是利用胶体微球组装光子晶体和非晶光子结构。而其中非晶光子结构由于其不存在角度依赖的虹彩效应，往往在显色领域具有更广的应用空间，并受到越来越多的关注。但它有着组装相对困难的缺点，并且同光子晶体一样对复杂不规则基底表面的着色缺乏有效手段和控制。不仅如此，我们都知道自然光及颜料都能通过三原色的叠加或混合产生新的颜色，这对于通过有限的成色材料拓展更宽的色域具有重要意义。目前，混合结构色在光子晶体中报道较多，主要原因是光子晶体能够通过方便的层层自组装方式形成交替的异质蛋白石结构。而非晶光子结构的混合结构色则鲜有报道，一个重要原因就是目前大多数制备方法缺乏对非晶光子结构涂层的厚度及组装进行较精细的控制。

近日，苏州大学的张克勤教授团队联合中科院上海技术物理研究所、复旦大学、中科院苏州纳米所通过雾化沉积二氧化硅胶体微球及添加PVA粘合剂的方式可控制备大面积非晶结构色涂层，同时实现了非晶结构色的混合及精细调控。不仅如此，该方法能在复杂不规则物体表面上进行快速的保形性（conformal）涂敷，实现较好的“染色”并保留结构细节。最后，以蚕丝面料为例，该方法能够很好地对纺织品进行“印染上色”，在保留其原有柔性和拉伸性的同时结构色涂层具备较好的力学强度。

图1. TOC图，雾化沉积制备非晶结构色的示意图及效果图

空气雾化器是一种常见的医疗保健器械，它能够高效地将药液雾化成极其微细的雾气液滴，很容易地通过呼吸深入到肺、支气管毛细血管部位，达到人体直接吸收的目的。受此启发，研究团队通过雾化沉积二氧化硅胶体微球及添加PVA粘合剂 的方式，在基底上均匀地沉积非晶光子晶体结构色涂层。通过选择使用150-300纳米的不同尺寸微球，非晶涂层可以产生覆盖可见光范围的不同颜色。PVA的添加，有效地打断了胶体微球形成的长程有序结构，形成均匀的非晶结构，颜色均匀而无虹彩效应。

利用雾化沉积速率可调，均匀稳定的特点，研究者通过交替沉积蓝色、绿色和粉色薄层作为三原色，然后两两在叠加区形成了新的混合色。通过扫描电子显微镜对断面观察发现，叠加区域各层都保持着较好的非晶结构，这表明这种雾化沉积的方法能够实现精细的厚度调控，为非晶结构色的颜色叠加提供了思路与借鉴。

图2. 非晶结构色涂层的颜色叠加

雾化沉积具有空间内全方向均匀沉积的特点。对于3D打印不规则物体，可以在复杂表面形成厚度均一，颜色均匀的结构色涂层，同时保留住结构的细节。甚至是在一百微米粗的头发上都能保留住鳞片结构，非常类似于常用的原子层沉积技术。同时该方法对各种材质的衬底都具有较好的适用性，通过添加黑色吸收性物质如纳米炭黑，研究者在白色衬底，金属及浅色陶瓷衬底上都能够制备出颜色鲜艳的非晶结构色涂层。

图3. 非晶结构色涂层的保形性涂敷及各种材质衬底上的适用性

研究中添加PVA粘合剂不仅有利于形成非晶结构，同时还大大地提高了非晶结构色涂层的力学性能。研究者通过掩模板辅助在白色蚕丝面料上制备出复杂的彩色玫瑰花图案。这种非晶结构色涂层很好地保留了丝绸面料的柔韧性，并且能经受多次拉伸而不发生脱落。参照纺织品的色牢度测试标准，研究者进行多次水洗与摩擦测试，发现这种涂层仍然具有较好的颜色稳定性和结构完整性。这些研究表明通过后期改进粘结技术及批量化制备工艺，这种雾化沉积的方法将会在纺织印染领域具备较好的应用前景。

图4. 非晶结构色涂层在蚕丝面料形成的图案及水洗和耐磨测试

这一成果近期发表在ACS Nano上，并被选为当期封面。文章的共同第一作者为苏州大学博士研究生李青松和中国科学院上海技术物理研究所张亚峰博士，通讯作者为苏州大学现代丝绸国家工程实验室和纺织与服装工程学院张克勤教授。同时本工作也得到了复旦大学物理系青年千人石磊教授和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张骁骅研究员及袁伟博士的大力帮助。

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

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

本文由苏州大学的张克勤教授团队供稿。

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