结构色广泛存在于自然界中，是一种由可见光波长尺度的微纳结构与光相互作用形成一系列干涉、衍射或散射而产生颜色的物理生色效应。与传统的由色素或染料参与的化学生色不同，结构色只要微纳结构保持完整，就能达到永不褪色的效果，同时能够避免使用化学染料和色素带来一系列复杂的环境污染问题，在涂料、纺织印染、化妆品、显示等领域具有广阔的应用前景。
目前，制备结构色的主要方法是利用胶体微球组装光子晶体和非晶光子结构。光子晶体虽然具有组装简单、颜色鲜艳的特点，但却具有明显的颜色随观察角度而变化的虹彩效应，大大限制了其应用范围。而非晶光子结构则没有这种角度依赖的虹彩效应，并受到越来越多研究者的关注。但其组装相对困难，并且同光子晶体一样对复杂不规则基底表面的着色缺乏有效的手段和控制。不仅如此，自然光及颜料都能通过三原色的叠加和混合产生新的颜色，对于通过有限的原色材料拓展更宽的色域具有重要的意义。目前，混合结构色在光子晶体中报道较多，主要原因是光子晶体能够通过简易的层层自组装方式形成交替的异质蛋白石结构。而非晶光子结构的混合结构色则鲜有报道，一个重要的原因是目前大多数制备方法缺乏对非晶光子结构涂层的厚度进行较为精细的调控。
近日，苏州大学的张克勤教授团队联合中科院上海技术物理研究所、复旦大学、中科院苏州纳米所以封面文章的形式报道了通过雾化沉积纳米二氧化硅胶体微球及添加PVA粘合剂的方式可控制备了大面积的非晶结构色涂层，同时实现了非晶结构色的混合及精细调控。不仅如此，该方法在复杂不规则物体的表面实现了快速的3D保形性（conformal）涂敷，进行较好的“染色”并保留结构细节。最后，他们以蚕丝面料为例，展示了该方法能够很好地对纺织品进行“印染上色”，在保留其原有柔性和拉伸性的同时，结构色涂层具备较好的力学强度。
图1. 封面图
空气雾化器是一种常见的医疗保健器械，能够高效地将药液雾化成极其细微的雾气液滴，很容易地通过呼吸深入到肺、支气管毛细血管部位，达到被人体直接吸收的目的。受此启发，该研究团队通过雾化沉积纳米二氧化硅胶体微球及添加PVA粘合剂的方式，在基底均匀地沉积非晶光子晶体结构色涂层。他们选择150-300纳米不同尺寸的微球，非晶结构涂层可以产生覆盖可见光范围的不同颜色。添加PVA的作用之一是有效地打断了胶体微球形成的长程有序结构，形成均匀的非晶结构，并且得到的涂层颜色没有角度依赖性。
图2. 非晶结构色涂层的光学性质及其微观结构
利用雾化沉积速率可调、均匀稳定的特点，研究者通过交替沉积蓝色、绿色和粉色薄层作为三原色，然后在重合区两两叠加形成新的混合色，通过光谱表征验证了这种非晶结构色涂层能够叠加生成新的颜色。为了实现更精细的颜色叠加混合，作者先在基底沉积一层蓝色层，然后依次沉积不同厚度的绿色层，最终实现了三个梯度的混合色。他们通过扫描电子显微镜对断面观察发现，叠加区域各层都保持着较好的非晶结构，表明这种雾化沉积的方法能够实现精细的厚度调控，为非晶结构色的颜色叠加提供了思路与借鉴。
图3. 非晶结构色涂层的颜色叠加
雾化沉积具有空间内全方向均匀沉积的特点。他们将通过3D打印得到的不规则物体置入雾气中，可以在各复杂表面形成厚度均一、颜色均匀的结构色涂层，同时保留原有结构的细节，甚至在100微米粗的头发上都能保留鳞片结构，与常用的原子层沉积技术非常类似。同时，该方法对各种材质的衬底都具有较好的适用性和附着性。通过添加黑色吸收性物质如纳米炭黑，作者在白色衬底、金属及浅色陶瓷衬底上都能够制备出颜色鲜艳的非晶结构色涂层。
图4. 非晶结构色涂层的保形性涂敷及各种材质衬底上的适用性
研究中添加PVA粘合剂的另一个作用是大大提高了非晶结构色涂层的力学性能。研究者通过掩模板辅助的方法，在白色蚕丝面料上制备出复杂的彩色玫瑰花图案。这种共形的非晶结构色涂层很好地保留了丝绸面料的柔韧性，并且能经受多次拉伸不发生脱落。参照纺织品的色牢度测试标准，他们进行了多次水洗与摩擦测试，发现这种涂层仍然具有较好的颜色稳定性和结构完整性。研究表明，通过后期进一步改进粘结技术及批量化制备工艺，这种雾化沉积的方法将会在纺织印染领域表现出广阔的应用前景。
图5. 非晶结构色涂层在蚕丝面料形成的图案及水洗和耐磨的测试
这一成果近期发表在ACS Nano 上，并被选为当期封面，文章的共同第一作者为苏州大学的博士研究生李青松和中国科学院上海技术物理研究所的张亚峰博士，通讯作者为苏州大学现代丝绸国家工程实验室和纺织与服装工程学院的张克勤教授。该工作也得到复旦大学物理系青年千人石磊教授和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张骁骅研究员及袁伟博士的大力帮助。
该论文作者为：Qingsong Li, Yafeng Zhang, Lei Shi, Huihui Qiu, Suming Zhang, Ning Qi, Jianchen Hu, Wei Yuan, Xiaohua Zhang and Ke-Qin Zhang
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Additive Mixing and Conformal Coating of Noniridescent Structural Colors with Robust Mechanical Properties Fabricated by Atomization Deposition.
ACS Nano, 2018, 12, 3095, DOI: 10.1021/acsnano.7b08259
导师介绍
张克勤
http://www.x-mol.com/university/faculty/49631
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