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史上最輕彩色涂料，靈感來自蝴蝶

俗話說“五色并立，史上陰陽成彩”。最輕自蝴色彩是彩色河南建工商貿(mào)有限公司生活中最直接、最豐富的涂料感覺。自19世紀(jì)中期開發(fā)出第一批合成染料以來，靈感色彩在生活中的史上應(yīng)用隨處可見，大到建筑物的最輕自蝴標(biāo)志、地標(biāo)，彩色小到一副裝飾畫、涂料一張圖片。靈感通常情況下，史上所有的最輕自蝴河南建工商貿(mào)有限公司商業(yè)著色劑都是根據(jù)顏料材料的電子特性來控制光吸收，因此每種顏色都需要一個新的彩色分子。盡管化學(xué)著色劑可以大規(guī)模生產(chǎn)，涂料但不少都含有有毒有害物質(zhì)并且在回收過程中很難去除，靈感有可能對地球環(huán)境和水資源造成污染。另一方面，由于化學(xué)不穩(wěn)定性，許多著色劑會隨著時間的推移而褪色，這一過程會隨著溫度的升高或曝光而加速。此外，它們通常需要幾微米的體積才能獲得足夠的顏色飽和度，因此分辨率較低。相比之下，結(jié)構(gòu)著色劑是基于納米結(jié)構(gòu)的幾何排列來控制光的反射、散射或吸收方式，具有高亮度、高飽和度、永不褪色、綠色環(huán)保等優(yōu)點。如圖1B所示，歡樂女神蝶呈現(xiàn)出的藍(lán)色金屬光澤是由于其翅鱗上具有復(fù)雜的分層納米結(jié)構(gòu)，后者可以操縱光層，導(dǎo)致某些顏色相互抵消，只有藍(lán)色被反射。然而，由于其響應(yīng)的幾何性質(zhì)，結(jié)構(gòu)著色劑通常呈現(xiàn)定向效應(yīng)，即其顏色會隨著觀察者的位置以及入射光的角度和偏振而變化，同時目前還無法實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

近日，美國中佛羅里達(dá)大學(xué)的DebashisChanda教授課題組開發(fā)了一種自組裝的亞波長等離激元腔，即利用無色材料鋁和氧化鋁的納米級結(jié)構(gòu)排列來產(chǎn)生顏色，并可通過入射光與間隙等離激元耦合來呈現(xiàn)出與角度和偏振無關(guān)的鮮艷結(jié)構(gòu)色（圖1C）。該材料不僅可大規(guī)模制備，而且與商業(yè)粘合劑相結(jié)合后可形成各種顏色的涂料，這種涂料的面積厚度比很大，實現(xiàn)全色的涂料厚度僅為150nm，表面密度僅為0.4g/m是迄今為止最輕的彩色涂料。至于輕到什么程度？作者表示，涂遍一架波音747飛機，這種等離激元涂料只需要1.3kg，而傳統(tǒng)的商業(yè)涂料則需要500kg[1]。相關(guān)成果發(fā)表在ScienceAdvances上。

其次，厚度質(zhì)量的增加和光譜偏移會導(dǎo)致光學(xué)諧振變寬，作者將這種現(xiàn)象歸因于納米顆粒共振的不均勻變寬，后者是由尺寸和空間分布的雙重隨機性引起的（圖3A），其中尺寸的增加會導(dǎo)致所產(chǎn)生顏色的反射對比度和飽和度的降低以及共振的明顯加寬（圖3B），而空間分布的影響則可以通過相互作用等離激元諧振器的相對位置的依賴性來解釋。事實上，時域有限差分（FiniteDifferenceTimeDomain，F(xiàn)DTD）模擬的反射曲線顯示出光譜偏移（圖3C、3D），其中有序結(jié)構(gòu)的偶極共振僅在共振波長內(nèi)激發(fā)，而無序和隨機無序構(gòu)型甚至在共振光譜外也顯示出激發(fā)。

為了證明等離激元自組裝結(jié)構(gòu)的多功能性，作者在翼狀的聚對苯二甲酸乙二酯（PET）模板上生長了幾個納米堆疊物來生產(chǎn)多色蝴蝶模型（圖4A），其對偏振和角度的不敏感性明顯優(yōu)于其它結(jié)構(gòu)，例如：涂有結(jié)構(gòu)藍(lán)的蝴蝶模型在非偏振和兩種正交線性偏振狀態(tài)下沒有明顯的色差（圖4B），這是因為偏振無關(guān)性源于無序自組裝層的各向同性；而該蝴蝶模型在天頂角和方位角的三種不同組合下的結(jié)果顯示，無論入射角如何，顏色都保持不變（圖4C），這是因為空腔的亞波長特性使得結(jié)構(gòu)的顏色對入射角非常不敏感。另外，作者將10nm氧化鋁間隔層固定在鍍鋁PET薄膜上，成功地生長了三個具有5nm、8nm和12nm納米顆粒層的樣品，它們分別對應(yīng)于CMY顏色模型中的三原色（圖4D）。盡管生動明亮，但在平面基板中觀察到的鏡面著色在許多應(yīng)用中不方便。為此，作者在噴砂PET薄膜上生長納米堆疊來產(chǎn)生擴散著色（圖4E），這是因為噴砂PET薄膜的使用會導(dǎo)致表面均勻地散射光，同時保持對偏振和角度的不敏感性。

接下來，作者通過“結(jié)構(gòu)混合”來擴大色域，即通過改變兩種納米粒子覆蓋的面積比來控制最終的顏色（圖5A）。具體而言：作者制備了間隔層厚度分別為10nm、15nm和20nm、混合比為100%的樣品（圖5B），圖5C顯示了這些樣品的顯微鏡圖像。隨著混合比值的增加，反射曲線從RA過渡到RB（圖5D），這意味著仔細(xì)選擇平面內(nèi)的混合比，可以生成由基底相對應(yīng)的兩個坐標(biāo)范圍內(nèi)的任何顏色（圖5E），但無法生成邊界外的顏色（如綠色）。為此，作者利用等離激元納米顆粒的多層結(jié)構(gòu)（即在鋁鏡、10nm氧化物層和10nm等效納米島組成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上生長自組裝層）來產(chǎn)生新的顏色（圖5F），并通過間隔層的厚度質(zhì)量和納米島薄膜之間的空隙來控制顏色外觀（圖5G），從而成功地產(chǎn)生了一系列單層結(jié)構(gòu)無法獲得的綠色陰影。

總結(jié)

DebashisChanda教授課題組開發(fā)了一種自組裝的亞波長等離激元腔，即利用無色材料鋁和氧化鋁的納米級結(jié)構(gòu)排列來產(chǎn)生顏色，并通過入射光與間隙等離激元耦合來呈現(xiàn)出與角度和偏振無關(guān)的鮮艷結(jié)構(gòu)色。該材料不僅可大規(guī)模制備，而且能與亞麻籽油混合來配制各種顏色的涂料，并將其涂覆于任何表面，進(jìn)一步展現(xiàn)出該材料的實用性。

Ultralightplasmonicstructuralcolorpaint

PabloCencillo-Abad,DanielFranklin,PamelaMastranzo-Ortega,JavierSanchez-Mondragon,DebashisChanda

,2023,DOI:10.1126/

參考資料：

1.UCFResearcherCreatesWorld’sFirstEnergy-savingPaint–InspiredbyButterflies