撰稿| 由课题组供稿
在人类历史发展的长河中，颜色作为最为直观的物质属性之一，不仅被用于建筑装饰，还被用于信息传递。从敦煌的飞天壁画到教堂的花窗玻璃，人们利用颜料对光的选择性吸收，得到了缤纷的色彩。
图1 敦煌壁画与花窗玻璃
此外，随着科学技术手段的发展，人们从自然现象中学习了更多的颜色产生方式：蓝天白云中的颗粒散射；油膜中的薄膜干涉；鸟类羽毛中的光子晶体散射。在这些成色方式中，光不被物质选择吸收，而是通过与特定介质结构作用来产生干涉。因此，这些方式又被称为结构成色。
结构色材料因其色彩可调、高亮度、高饱和度、持久性好等特点而受到关注，在显示、传感器、防伪等领域中得到广泛的应用。因此，发展多种不同的成色结构以及对成色机理的研究是有实际意义的，不仅可以拓宽结构色材料的种类、增加光的调控形式，还可以实现对材料显色的动态调控。
全内反射，是光以一个较大的入射角，从一种高折射率介质进入另一种低折射率介质时发生的一种全反射现象。光纤中光的长距离传输，利用的就是全内反射。钻戒璀璨的光芒，也有赖于钻戒底部锥角的设计和全内反射的原理。最近，Goodling等人发现，在两相材料构成的“核桃型”液滴中，也能出现全内反射的光路。更为有趣的是，在显微镜下，作者还观察到了靓丽的彩环图样[Nature 566, 523-527 (2019)]，这是一种比较少见的结构色图案。
近期，在复旦大学材料系黄高山教授与胡新华教授领衔的一项研究中，研究者（第一作者为研究生陈鸿）在水凝胶及其前驱体的微泡中，观察到了由全内反射和干涉导致的结构色彩环现象。这种高亮度、高纯度的彩环图案，是普通肥皂泡很难呈现的。他们发现，在重力作用下，小尺寸微泡（直径50微米）的不对称性或偏心性，是产生这一现象的关键因素。这一结论，被光学模型分析、数值模拟以及实验观察所印证。
图2 水凝胶前驱体微泡
图源：Advanced Optical Materials. (2021) Fig.1 (a)
该研究成果以“Structural Coloration by Internal Reflection and Interference in Hydrogel Microbubbles and Their Precursors”为题发表在Advanced Optical Materials上。
该项研究利用毛细管微流控技术对于流体流动的精确控制，实现了水凝胶前驱体微泡的可控制备，同一流速下微泡颜色一致。同时水凝胶前驱体可紫外固化，用以得到稳定存在的微泡。
图3 微流控芯片示意图以及不同中间相流速下制备的水凝胶前驱体微泡
图源：Advanced Optical Materials. (2021) Fig.1 (b), (d)
为了解释这一现象，文中基于微泡固化后的扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy）表征结果，提出了光线在微泡中传播的几何模型。通过对几何模型的计算分析，将环形结构色图案的产生归因于光在由侧壁进入微泡壳层时发生的光束干涉，以及光在非均匀壳层内部的全内反射传播。微泡的非均匀壳层是内相氮气与中间相前驱体间的密度差异导致的。
图4 微泡的几何光学模型及SEM结果
图源：Advanced Optical Materials. (2021) Fig.2 (b) - (c)
为了进一步验证该模型的正确性，实验中记录了在前驱体饱和水溶液中，单个微泡的半径与结构色随时间的演化过程。选取六个特定的时刻，将记录的半径以及微泡壳层平均厚度作为几何模型的构建参数，用以计算该模型下微泡结构色对应的光谱结果。再通过一系列的转换，将光谱转化为RGB值。随着微泡壳层厚度的增加，光谱逐渐红移，对应于光束干涉的计算。通过对比计算的RGB值与实际实验结果，说明了该模型能够较好地反映光线在微泡中的实际作用过程。
图5 微泡在饱和溶液中随时间演化的实验结果以及对应的结构色计算结果
图源：Advanced Optical Materials. (2021) Fig.4 (a) - (c)
此外，将微泡置于前驱体不饱和水溶液中，得到了随着时间逐渐蓝移的微泡结构色。基于提出的模型，研究中对多个时间点的壳层厚度进行了推测计算。
图6 微泡在不饱和溶液中随时间演化的实验结果以及根据实验结果推算的微泡壳层厚度
图源：Advanced Optical Materials. (2021) Fig.5 (a) - (b)
本工作利用毛细管微流体技术，制备得到了具有结构色现象的前驱体微泡及其固化微泡。通过几何光学模型的建立及计算与实验结果的对照，验证了微泡的环形结构色图样来源于光在进入微泡壳层时发生的光束干涉，以及光线在非均匀壳层内的全反射传播。基于实验与理论的共同指导，可以将功能材料引入经过精心设计的微结构中，用以实现更为复杂的结构成色。这样的结构色材料在显示、传感等多种领域都具有巨大的应用潜力。
文章信息
Chen, H., Zhu, H., Wang, Y-Q. et al. Structural Coloration by Internal Reflection and Interference in Hydrogel Microbubbles and Their Precursors. (2021).
论文地址：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202100259
