光子晶体是具有周期性结构的光学材料。它们最引人注目的特征是由周围电介质及其晶格的周期性和方向决定的结构色。与经典的自上而下的制造方法相比，胶体自组装的自下而上的方法具有很多不可替代的优点。这种低成本自组装与固体颗粒的光学特性相结合，使胶体光子晶体成为传统颜料和有机颜料最有希望的替代品。它们的结构色比有机颜料更亮且更稳定。原则上，可以通过控制晶体的周期性和取向来调整颜色，从而一种材料可以显示不同的颜色。为此，人们对晶体的对称性和周期性的精细控制进行了大量的研究，旨在获得满足实际应用要求的光子晶体颜料。
使用光子晶体代替有机颜料存在一些先决条件。首先，它们的结构色应广泛可调，同时在日常使用中保持很好的稳定性。其次，在实际应用中，特别是在集成光学器件和微型光子芯片中，光子晶体颜料要易于加工，以制备图案化光子晶体器件。为此，加州大学河滨分校殷亚东教授团队通过将磁性纳米棒组装成体心四方的胶体晶体（body-centered tetragonal colloidal crystals）制备了一种多色、颜色精确可调的光子晶体颜料。这些新型光子晶体颜料由均匀的Fe3O4@SiO2纳米棒在胶体中在磁场下组装而制备。随后的溶胶-凝胶法可以固定产生的三维光子晶体的结构，从而得到稳定的颜料。晶体结构的高各向异性与纳米棒的磁性形状各向异性相结合，可以通过简单地改变磁场的方向来产生多种颜色。
图1. 体心四方的晶体结构，光子晶体颜料的颜色和旋转响应的机械变色装置。图片来源：Adv. Mater.
该颜料可以根据变化的磁场产生多种颜色。由于它们的非密堆积性质，该光子晶体颜料具多孔结构，因而具有对周围介电变化的快速和灵敏的比色响应。更重要的是，光子颜料的结构和磁各向异性能够使用磁性手段进行精确的取向控制，它们可以沿着预先设计的方向对齐以获得所需的结构色。这些独特的功能使旋转非对称光子器件的设计和制造成为可能。这些器件可以在旋转时呈现动态颜色切换或显示不同的图案和加密信息。由于材料合成具有高度可扩展性且磁性组装简单、坚固，这种光子晶体颜料有望用于制造许多先进的光学设备，包括比色传感器、防伪设备和多色无源光子晶体显示器。
图2. 体心四方的光子晶体的制备和结构表征。图片来源：Adv. Mater.
图3. 控制外加磁场的方向来调节体心四方的光子晶体的颜色。图片来源：Adv. Mater.
图4. 体心四方的光子晶体用于制备旋转变色材料。通过旋转含有精确排列光子晶体的聚合物薄膜，这种薄膜可以显示不同的颜色，或者显示完全不同的图案。图片来源：Adv. Mater.
这一成果近期发表在Advanced Materials 上。
Multicolor Photonic Pigments for Rotation‐asymmetric Mechanochromic Devices
Zhiwei Li, Xiaojing Wang, Lili Han, Chenhui Zhu, Huolin Xin, Yadong Yin
Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202107398
殷亚东（Yadong Yin），加州大学河滨分校教授。1996年及1998年于中国科学技术大学获得学士及硕士学位，2002年于美国华盛顿大学获博士学位，师从夏幼南教授，之后在美国加州大学伯克利分校与劳伦兹伯克利国家实验室工作，导师为A. Paul Alivisatos教授。2006年起就职于加州大学河滨分校，其研究领域包括纳米材料的合成、表征与应用；光子晶体的组装和应用；胶体和界面化学；及智能材料。
https://www.x-mol.com/university/faculty/3117
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：我最初的研究目的是制备一种多色，颜色精确可调的光子晶体颜料。目前，纳米球的自组装已经广泛用于开发光子晶体颜料，包括毛细作用力驱动的胶体组装，乳液辅助微珠组装，和多种涂层方法。此外，一些先进的印刷技术也可用于将光子晶体图案化到设备中，例如喷墨印刷和三维共聚物沉积。然而，大多数光子晶体包含紧密堆积的纳米球。它们的结构颜色在很大程度上取决于颗粒大小。因此，人们需要精确控制纳米球尺寸以产生不同的颜色。为了解决这个难题，我们最初的想法是制备磁性的光子晶体，可以通过控制晶体的取向来显示不同的颜色。这样，同一种光子晶体就可以实现多色打印。
A：主要的挑战是如何大规模制备这种多色的光子晶体颜料。因为在制备过程中，很多因素会影响光子晶体颜料的最终颜色，比如二氧化硅的厚度，晶体的有序度，磁场的均匀性等。因此在大规模制备中，需要优化这些因素来获得高质量的光子晶体颜料。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：这种多色光子晶体颜料具有精确可调的颜色，其取向可以通过外加磁场控制。结合其他微纳加工工艺，比如光刻等，该光子晶体可以用于多色打印，动态显示器。将光子晶体固定到固体薄膜中，他们的取向可以通过施加磁场来调控。当固体薄膜受到拉伸或压应力时，固定的光子晶体的取向会发生相应的变化。根据应力的大小，该固体可以显示不同的颜色。这种机械变色材料可以进一步用于防伪和机械传感。
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