光子晶体结构色简介及研究进展

张心亚研究员
2020.9
01
：传统颜填料的介绍
传统颜填料在自然使用过程中存在易迁移、易氧化、易褪色等；
传统颜填料的生产制备和印染过程中制造大量的、含高重金属
离子的、难以降解的废水；
随着国家环保政策的收紧以及消费者环保意识的觉醒，传统颜填料正在失去市场。

褪色
02:光子晶体的介绍
自然界大多数动物都拥有绚丽的外观，研究表明这些颜色并不是化学色素或者染料，而都是基于微纳结构的物理光子晶体结构色。

光子晶体由S.John 于1987 提出：主要是指折射率不同的介质周期性排列形成的光学结构。

02:光子晶体的介绍
光子晶体从视觉上可分为角度依赖型光子晶体和无角度依赖型光子晶体
长程有序结构角度依赖性短程有序结构无角度依赖变色鱼
鹦鹉
02:
光子晶体的介绍
一维二维三维
光子晶体结构色从空间构造上分为一维、二维、三维光子晶体。

一维二维三维
光子晶体结构色的原理：基于大面积、高度有序的周期性微纳结构与太阳光的物理折射、反射及衍射作用，使得反射波长落在可见光范围，即结构色。

光子晶体结构色的优点：安全，环保，色彩丰富，颜色更持久。

02:光子晶体的介绍
03:光子晶体的潜在应用
Wang, F.; Zhang, X ，etc.ACS Appl. Mater. Interfaces . 2016, 8(7), 5009–5016. Kim, S.; Hwang, V ，etc. Small,2019, 1900931
(1)、作为颜填料制备涂层
03:光子晶体的潜在应用
•Zhao, T.; Zhang, S.; Guo, Y
.; Wang, Q. Nanoscale 2016, 8 (1), 233–242.
(2)、光子晶体作为温度响应的防伪标识
03:光子晶体的潜在应用
(3)、光子晶体阵列作为湿度响应的防伪标识
•Du, X.; Wang, J，etc.ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9 (43), 38117–38124.
03:光子晶体的潜在应用
(4)、光子晶体阵列制备艺术油画
•Flauraud, V.; Reyes, M.; ACS Photonics 2017, 4 (8), 1913–1919.
•Ito, M. M.; Gibbons, Sivaniah, E. S，Nature 2019, 570 (7761), 363–367.
04:光子晶体的制备
基于光子晶体结构色的优点，我们制备了类似opal 蛋白石结构的光子晶体结构色。

特别注意：将还原氧化石墨烯引入来解决光子晶体膜的开裂和饱和度差等问题。

•Song, Liujun.; Chen, Xiaofei.; Zhang, Xinya. Dyes and Pigments 2019, 164, 222–226.
04:光子晶体结构色的制备
光子晶体结构色制备示意图无角度依赖光子晶体结构色实物图
04:光子晶体结构色的制备
光子晶体全光谱分析及研磨后的光子晶体颜填料
纯PS微球薄膜的SEM图像
由GO辅助PS微球不同放大倍数下的SEM图像04:光子晶体结构色的制备
GO辅助成膜后裂纹消失、角度依赖减小、形成了大面积短程有序的光子晶体薄膜
研磨之后的光子晶体颜填料及其内部微观结构
04:光子晶体结构色的制备
05:光子晶体结构色的机械性能的提升
为了提升光子晶体的机械性能和耐擦洗性能，受贻贝的启发利用聚多巴胺和壳聚糖制备了高粘附性能、高饱和度、高附着力的光子晶体结构色薄膜
•Liang, Qianmin; Song, Liujun; Zhang, Xinya. J Mater Sci.2020, 55 (6), 2353–2364.
05:光子晶体结构色的机械性能的提升
宏观照片和扫面电镜表明聚多巴胺和壳聚糖的加入解决了裂纹的问题
05:光子晶体结构色的机械性能的提升
折叠和擦洗实验都证明了制备的光子晶体薄膜具有良好的附着力和机械稳定性
05:光子晶体结构色的机械性能的提升
为了证明改性后光子晶体膜的附着力，拉拔测试显示对不同基材有着良好的附着性能
PVC:0.74 Mpa
Glass: 2.42 MPa
Steel: 3.63 MPa
Tile: 4.13 MPa
图案化光子晶体膜
05:光子晶体结构色的机械性能的提升
为了提高涂层的自清洁性能，利用PDMS改性光子晶体结构色涂层，达到超疏水性能
0%1%2%
3%4%接触角测试PDMS含量的影响
06:响应性光子晶体结构色制备
为了制备响应性光子晶体膜，合成了基于亚胺可逆动态共价键的交联型树脂，特点在于树脂环保，可酸降解回收重复使用
亚胺可逆动态共价键树脂合成路线亚胺树脂酸降解机理
•Mo, Ruibing; Song, Liujun; Hu, Jing; Sheng, Xinxin.; Zhang, Xinya. Polym. Chem. 2020, 11 (5), 974–981.
06:响应性光子晶体结构色制备
响应型光子晶体结构色对不同溶剂的颜色响应
07:总结
光子晶体结构色具有绿色环保、无毒无害、色彩丰富、饱和度高、结构稳定等优点，是代替传统颜填料的不二之选，在印刷、显示，防伪、军工等领域有着巨大的潜在应用；
改性和精细调节来制备智能温度/湿度响应型的光子晶体结构色是发展的一大主流方向，其未来在可穿戴设备、智能伪装功能性服饰等领域大有可为；
可自修复型光子晶体结构色可以将在原有优点之上，大大延长光子晶体结构色膜的使用寿命，降低成本、吸引消费者，将在汽车涂装、家装等领域广泛应用。