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微納光學(xué)結(jié)構(gòu)色的多產(chǎn)業(yè)應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：
2021-01-11 14:13
來(lái)源：
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一、顏色
在生物體系中，主要的顏色來(lái)源有兩大類(lèi)，色素色和結(jié)構(gòu)色。
對(duì)于結(jié)構(gòu)色，生活中最常見(jiàn)的例子可能是光盤(pán)：從不同角度看一張光盤(pán)，我們能看到不同的顏色。這種隨觀(guān)察角度改變而變化的顏色叫虹彩色。把光盤(pán)放到顯微鏡下，我們可以看到光盤(pán)表面規(guī)則排列的微小結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)也就是光盤(pán)上記錄的數(shù)據(jù)。正是因?yàn)檫@些微小結(jié)構(gòu)，造成了光盤(pán)的結(jié)構(gòu)色。
但并不是所有結(jié)構(gòu)色都是虹彩色。比如東藍(lán)鴝藍(lán)色羽毛的顏色也來(lái)自結(jié)構(gòu)色，但不會(huì)隨觀(guān)察角度改變而改變。這種藍(lán)色是由無(wú)規(guī)則的微觀(guān)結(jié)構(gòu)使光發(fā)生散射造成的。
形成結(jié)構(gòu)色的四種方式：
第一種結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生的機(jī)理是光的單層薄膜干涉， 生活中經(jīng)?？吹降睦邮怯湍ぴ谒娴念伾?。不同顏色的光在不同入射角度、不同的油膜厚度發(fā)生干涉，就造成了油膜的豐富色彩。
第二種結(jié)構(gòu)色的產(chǎn)生機(jī)理是光在多層薄膜中發(fā)生干涉， 多層薄膜是由兩種折射率不同的物質(zhì)交替疊加而成。
第三種結(jié)構(gòu)色是由光子晶體 造成的，所謂光子晶體就是由兩種折射率不同的物質(zhì)周期性排布形成的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。比如孔雀羽毛的結(jié)構(gòu)色來(lái)自羽毛內(nèi)部的光子晶體結(jié)構(gòu)
第四種結(jié)構(gòu)色是光柵衍射造成的，光柵結(jié)構(gòu)通常采用激光直寫(xiě)、全息干涉、離子/電子束光刻、數(shù)控加工（CNC）等方法制備。光柵線(xiàn)條間距通常在幾微米甚至幾百納米量級(jí)，通過(guò)調(diào)控光柵周期、角度、深度、折射率、占空比等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的衍射、散射作用形成結(jié)構(gòu)色。
二、結(jié)構(gòu)色的應(yīng)用現(xiàn)狀
1、智能顯示結(jié)構(gòu)色薄膜材料復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系教授武利民團(tuán)隊(duì)將直徑為數(shù)微米至十幾微米的聚合物膠體微球，組裝到普通透明聚合物膠帶的黏膠 層上成單層微球陣列，首次研發(fā)了一種既具有逆反射又具有隨角異色和隨角不變色的智能響應(yīng)結(jié)構(gòu)色薄膜材料，并揭示了其智能響應(yīng)結(jié)構(gòu)色的形成機(jī)制。
這種逆反射結(jié)構(gòu)色薄膜可應(yīng)用于夜間交通反光標(biāo)牌或廣告牌時(shí)，由于車(chē)燈照明的方向和司機(jī)的視角處于同軸，司機(jī)從遠(yuǎn)到近可觀(guān)察到均一、鮮艷的反光顏色；而路邊的行人由于視角和車(chē)燈照明方向處于不同軸，隨著車(chē)輛由遠(yuǎn)及近可觀(guān)察到不斷變化的反光顏色，如下圖所示，從而可有效提醒行人（特別是佩戴耳機(jī)或聽(tīng)力受損者）主動(dòng)避讓后方的車(chē)輛，避免交通事故的發(fā)生。通過(guò)一定的照明和觀(guān)察方式，該薄膜或涂層還可實(shí)現(xiàn)其他的智能交通顯示功能，如具有交互式變色和閃爍功能的交通信號(hào)標(biāo)牌等。
圖1.逆反射結(jié)構(gòu)色薄膜制備的交通反光標(biāo)牌在夜間道路上應(yīng)用的示意圖，以及車(chē)輛距離標(biāo)牌不同距離L時(shí)（80米、50米、30米）（B-D）行人視角和（E-G）司機(jī)視角的照片。
圖2. 行駛中的車(chē)輛離由遠(yuǎn)及近80米，40米，15米和10米時(shí)（A-D）司機(jī)視角和（E-H）行人視角的廣告牌變化。
產(chǎn)生這種新穎光學(xué)現(xiàn)象的原因在于聚合物膠體微球與透明膠帶之 間形成了一種獨(dú)特的基于氣墊微球/聚合物的雙層微結(jié)構(gòu)，當(dāng)白光光束從薄膜無(wú)微球一面入射時(shí)，光線(xiàn)會(huì)在微球陷入部分和未 陷入部分的半球界面上，分別發(fā)生薄膜干涉和全內(nèi)反射效應(yīng)，從而依次實(shí)現(xiàn)智能結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生和逆反射的效果。通過(guò)調(diào)節(jié)微球 的粒徑可以控制空氣層的厚度，從而產(chǎn)生不同顏色的結(jié)構(gòu)色。
2、紡織品結(jié)構(gòu)生色結(jié)構(gòu)生色紡織品，由于在著色過(guò)程中沒(méi) 有色素或者染料的參與，不存在褪色現(xiàn)象，無(wú)需耗 費(fèi)大量水資源進(jìn)行漂洗的同時(shí)也避免了富含的色素、染料與印染助劑的廢水排放造成的資源浪費(fèi)， 為生態(tài)綠色污染整治提供了新思路。
湖北大學(xué)王世敏教授和武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林教授等指導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研究出一種有效、易操作的碳纖維織物著色方法，不僅顏色可調(diào)，還具有優(yōu)良的耐洗滌性能。這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在國(guó)際材料科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《ACSNano》
相較于傳統(tǒng)的著色劑，這些完全由結(jié)構(gòu)賦予紡織品顏色的方法，具有顏色水不褪色、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，可作為一種新型著色劑，在紡織品染整、涂料、印刷等方面有非常廣泛的應(yīng)用前景，這對(duì)實(shí)現(xiàn)綠色健康的生活具有重要的意義。外界環(huán)境因素，如酸堿性、濕度、溫度、應(yīng)力等，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)生色紡織品中特殊的周期性物理結(jié)構(gòu)有一定的調(diào)控作用，由此隨外界環(huán)境因素的變化產(chǎn)生不同顏色的結(jié)構(gòu)色。這種利用外界環(huán)境因素變化在可見(jiàn)光范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)控顏色的技術(shù)，為傳感器濕度、溫度、酸堿度探測(cè)設(shè)備的發(fā)展提供了新的思路。此外，還可利用光散射中光強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)生色的影響以及結(jié)構(gòu)色對(duì)觀(guān)察角度的依賴(lài)性，對(duì)隱身材料的制備提供了一種新思路，例如基于光子晶體結(jié)構(gòu)制得的結(jié)構(gòu)色纖維可用做鈔票真?zhèn)螛?biāo)志。
3、結(jié)構(gòu)色油滴
美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員是在研究一類(lèi)特殊的油滴時(shí)發(fā)現(xiàn)這種新的結(jié)構(gòu)色機(jī)制的。他們將兩種不溶于水但又彼此不互溶的有機(jī)物液體分散到水中，形成的油滴并非均勻的球形，在油滴中兩種有機(jī)物交界處會(huì)形成一個(gè)彎曲的液面。隨后他們發(fā)現(xiàn)，在光的照射下，本應(yīng)無(wú)色的液滴的邊緣卻呈現(xiàn)出絢麗的色彩。研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論模擬確認(rèn)了顏色的成因：由于油滴內(nèi)上方密度較小的液體折射率高于下方密度較大的液體，當(dāng)光從上至下照射進(jìn)油滴時(shí)，會(huì)在兩種液體的界面處發(fā)生全反射，即入射光全部被反射，不會(huì)發(fā)生折射進(jìn)入另一種介質(zhì)。由于曲面的存在，經(jīng)過(guò)多次全反射后，照射到液滴不同部位的光會(huì)出現(xiàn)光程差，從而發(fā)生干涉，進(jìn)而導(dǎo)致油滴呈現(xiàn)出特定的顏色。
油滴呈現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)色。圖中標(biāo)尺為100微米（大圖）和2厘米（小圖）
研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，改變油滴中兩種液體交界處曲面的形狀時(shí)，油滴呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)色也會(huì)發(fā)生變化，這使得新的顯示技術(shù)成為可能。例如他們?cè)谒屑尤肓艘环N特殊的表面活性劑，其化學(xué)結(jié)構(gòu)會(huì)在紫外線(xiàn)照射下發(fā)生變化，而這又進(jìn)一步影響油滴中的曲面形狀。如果選擇性地照射液體中某些區(qū)域，就可以得到兩種不同的顏色，從而呈現(xiàn)出特定的圖案。
改變油滴中液面的形狀會(huì)改變油滴的結(jié)構(gòu)色，從而在液面上呈現(xiàn)一定的圖案。圖中標(biāo)尺為2厘米（中圖）和50微米（右圖）
4、光學(xué)信息加密南京大學(xué)的徐挺教授和陸延青教授帶領(lǐng)其課題組，聯(lián)合美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的研究人員，合作完成一項(xiàng)利用自然光結(jié)構(gòu)色來(lái)繪畫(huà)的實(shí)驗(yàn)，他們超高精度地復(fù)現(xiàn)了十七世紀(jì)荷蘭藝術(shù)家揚(yáng)·維米爾的傳世畫(huà)作《戴珍珠耳環(huán)的少女》。
這幅“畫(huà)”的實(shí)際尺寸只有一毫米左右，需要通過(guò)顯微鏡才能觀(guān)察到細(xì)節(jié)；此外“繪畫(huà)”沒(méi)用任何顏料，僅靠微納結(jié)構(gòu)材料對(duì)光的折射轉(zhuǎn)化，就為整幅畫(huà)精確涂上了應(yīng)有的色彩；而且首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)光色明暗過(guò)渡的控制，讓整幅畫(huà)看上去更加富有立體感。
研究人員表示首先這是一種特殊的加密信息存儲(chǔ)方式，可以通過(guò)控制光的不同波長(zhǎng)輸出和投射轉(zhuǎn)化，把圖像或文字存儲(chǔ)到一個(gè)玻璃片上，由于每一個(gè)像素都是納米級(jí)的，保存的信息會(huì)非常豐富。
其次，實(shí)驗(yàn)需要通過(guò)特殊偏光濾鏡調(diào)節(jié)才能展現(xiàn)出一張清晰漂亮的畫(huà)，如果把這個(gè)濾鏡拿掉，那呈現(xiàn)出來(lái)的圖案是完全不一樣的，且由于這個(gè)微納結(jié)構(gòu)的原始設(shè)計(jì)和制作相當(dāng)復(fù)雜，很難去仿造，在一定程度上，該技術(shù)可以用來(lái)做高價(jià)值物品的防偽，給某些物品編碼圖像和文字，這個(gè)“防偽”標(biāo)識(shí)只有通過(guò)一些特殊手段，才能看到它真實(shí)的樣貌。
5、微納結(jié)構(gòu)色包裝（無(wú)墨印品、微納紋理）任何一個(gè)產(chǎn)品都離不開(kāi)包裝，任何一個(gè)包裝也都離不開(kāi)印刷，而過(guò)度印刷往往與綠色環(huán)保相悖，有些甚至是有害的。比如：印刷油墨中常使用乙醇、甲苯、二甲苯等有機(jī)溶劑。上述有機(jī)溶劑干燥后絕大部分都會(huì)被排放在空氣中污染環(huán)境，而殘留部分還會(huì)對(duì)消費(fèi)者人體造成危害。特別是上墨面積較大、墨層較厚的印刷品，其殘留溶劑較多，在使用過(guò)程中釋放出的有毒物質(zhì)污染空氣、危害人們的健康。
無(wú)墨印品認(rèn)為，采用環(huán)保材料、工藝，并簡(jiǎn)化工藝流程、減少環(huán)境污染、降低制造成本，是企業(yè)目前最大的剛需。
無(wú)墨印品是一種基于表面微納結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光的反射、折射、衍射、散射等現(xiàn)象，用來(lái)表達(dá)圖像文字的色彩、反差、動(dòng)態(tài)、立體等信息，也就是上面所說(shuō)的結(jié)構(gòu)色。這種微結(jié)構(gòu)承載在玻璃、塑料乃至金屬板材上，可以局部或全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)油墨印刷工藝。它不僅具有科技、時(shí)尚、環(huán)保、低成本等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以讓紋理更加精細(xì)、豐富和靈活多變。這不僅僅是一種技術(shù)層面上的突破，更重要的是一種觀(guān)念上的變革。
無(wú)墨印品藥包
無(wú)墨印品瑪卡酒包
無(wú)墨印品電子煙包
無(wú)墨印品煙包
蘇州印象科技將環(huán)保、時(shí)尚、防偽完美的融合起來(lái)，放棄了那種過(guò)分強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品外觀(guān)設(shè)計(jì)上濃妝艷抹的油墨印刷，以一種更為負(fù)責(zé)任的態(tài)度和方法去創(chuàng)造包裝印品的新形態(tài)，用更簡(jiǎn)潔、持久的造型使產(chǎn)品盡可能地延長(zhǎng)其使用壽命，同時(shí)傳達(dá)綠色、人文的精神理念，為環(huán)保印刷包裝，為保障消費(fèi)者安全做出自己的貢獻(xiàn)。
三、關(guān)于結(jié)構(gòu)色的未來(lái)
結(jié)構(gòu)色的應(yīng)用還不止于此，作為一種顛覆性的色彩呈現(xiàn)技術(shù)，結(jié)構(gòu)色所具有的獨(dú)特性，使其在印刷、顯示、噴涂、防偽等領(lǐng)域必將迎來(lái)廣闊的應(yīng)用前景，在國(guó)防和軍事領(lǐng)域，它的應(yīng)用更是潛力巨大。
利用獨(dú)特成色原理，推動(dòng)隱身、偽裝等軍事技術(shù)變革。結(jié)構(gòu)色是一種可以對(duì)光波（即電磁波）精細(xì)控制的色彩表達(dá)方式，可通過(guò)對(duì)電磁波頻率（波長(zhǎng)）、振幅、偏振、自旋和軌道角動(dòng)量等性質(zhì)的調(diào)控，使它在隱身、偽裝、三維成像、頭盔式顯示、人工智能、虛擬增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)、光信息處理等方面展現(xiàn)出重要軍事價(jià)值。國(guó)外一家研究機(jī)構(gòu)通過(guò)改變?nèi)玖现屑{米顆粒間距，讓其只吸收或散射特定顏色的光，在雷達(dá)甚至紅外偵測(cè)時(shí)能達(dá)到隱身的效果。這一被稱(chēng)為“光子染料”的新型技術(shù)，若廣泛應(yīng)用于軍事裝備噴涂，將帶來(lái)軍事隱身、偽裝等技術(shù)變革，從而極大提高軍事裝備的自身防護(hù)能力和軍事行動(dòng)的隱蔽性。
通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)，研制可穿戴智能裝備。結(jié)構(gòu)色通常屬于多層微孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)精細(xì)設(shè)計(jì)，這種特殊結(jié)構(gòu)可讓液體或氣體流入，并讓其實(shí)現(xiàn)內(nèi)部循環(huán)，從而使貼身裝備在不同溫度、濕度條件下，仍具有優(yōu)良的保溫和透氣性能。同時(shí)，可在軍服、偽裝材料表面引入周期性疏水或疏油顆粒，制造出兼具偽裝能力和防水防油能力的功能性服飾。
本文資料來(lái)源：
1、朱小威，邢鐵玲，《結(jié)構(gòu)生色紡織品的研究進(jìn)展》，紡織科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，37 卷第 4 期( 總第 138 期)；
2、《科學(xué)家研發(fā)新型智能顯示結(jié)構(gòu)色薄膜材料》中國(guó)科學(xué)報(bào)；2019 年第 11 期 :111；
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