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微纳光学结构色的多产业应用

发布时间：

2021-01-11 14:13

来源：

www.gzlaser.com

一、颜色

在生物体系中，主要的颜色来源有两大类，色素色和结构色。

对于结构色，生活中最常见的例子可能是光盘：从不同角度看一张光盘，我们能看到不同的颜色。这种随观察角度改变而变化的颜色叫虹彩色。把光盘放到显微镜下，我们可以看到光盘表面规则排列的微小结构，这些结构也就是光盘上记录的数据。正是因为这些微小结构，造成了光盘的结构色。

但并不是所有结构色都是虹彩色。比如东蓝鸲蓝色羽毛的颜色也来自结构色，但不会随观察角度改变而改变。这种蓝色是由无规则的微观结构使光发生散射造成的。

结构色蓝色羽毛

形成结构色的四种方式：

第一种结构色产生的机理是光的单层薄膜干涉，生活中经常看到的例子是油膜在水面的颜色。不同颜色的光在不同入射角度、不同的油膜厚度发生干涉，就造成了油膜的丰富色彩。

第二种结构色的产生机理是光在多层薄膜中发生干涉，多层薄膜是由两种折射率不同的物质交替叠加而成。

第三种结构色是由光子晶体造成的，所谓光子晶体就是由两种折射率不同的物质周期性排布形成的微观结构。比如孔雀羽毛的结构色来自羽毛内部的光子晶体结构

第四种结构色是光栅衍射造成的，光栅结构通常采用激光直写、全息干涉、离子/电子束光刻、数控加工（CNC）等方法制备。光栅线条间距通常在几微米甚至几百纳米量级，通过调控光栅周期、角度、深度、折射率、占空比等参数，实现对光的衍射、散射作用形成结构色。

二、结构色的应用现状

1、智能显示结构色薄膜材料复旦大学材料科学系教授武利民团队将直径为数微米至十几微米的聚合物胶体微球，组装到普通透明聚合物胶带的黏胶层上成单层微球阵列，首次研发了一种既具有逆反射又具有随角异色和随角不变色的智能响应结构色薄膜材料，并揭示了其智能响应结构色的形成机制。

这种逆反射结构色薄膜可应用于夜间交通反光标牌或广告牌时，由于车灯照明的方向和司机的视角处于同轴，司机从远到近可观察到均一、鲜艳的反光颜色；而路边的行人由于视角和车灯照明方向处于不同轴，随着车辆由远及近可观察到不断变化的反光颜色，如下图所示，从而可有效提醒行人（特别是佩戴耳机或听力受损者）主动避让后方的车辆，避免交通事故的发生。通过一定的照明和观察方式，该薄膜或涂层还可实现其他的智能交通显示功能，如具有交互式变色和闪烁功能的交通信号标牌等。

图1.逆反射结构色薄膜制备的交通反光标牌在夜间道路上应用的示意图，以及车辆距离标牌不同距离L时（80米、50米、30米）（B-D）行人视角和（E-G）司机视角的照片。

图2. 行驶中的车辆离由远及近80米，40米，15米和10米时（A-D）司机视角和（E-H）行人视角的广告牌变化。

产生这种新颖光学现象的原因在于聚合物胶体微球与透明胶带之间形成了一种独特的基于气垫微球/聚合物的双层微结构，当白光光束从薄膜无微球一面入射时，光线会在微球陷入部分和未陷入部分的半球界面上，分别发生薄膜干涉和全内反射效应，从而依次实现智能结构色产生和逆反射的效果。通过调节微球的粒径可以控制空气层的厚度，从而产生不同颜色的结构色。

2、纺织品结构生色结构生色纺织品，由于在着色过程中没有色素或者染料的参与，不存在褪色现象，无需耗费大量水资源进行漂洗的同时也避免了富含的色素、染料与印染助剂的废水排放造成的资源浪费，为生态绿色污染整治提供了新思路。

湖北大学王世敏教授和武汉纺织大学徐卫林教授等指导的研究团队研究出一种有效、易操作的碳纤维织物着色方法，不仅颜色可调，还具有优良的耐洗涤性能。这项研究已经发表在国际材料科学领域顶级期刊《ACSNano》

相较于传统的着色剂，这些完全由结构赋予纺织品颜色的方法，具有颜色水不褪色、环境友好的优点，可作为一种新型着色剂，在纺织品染整、涂料、印刷等方面有非常广泛的应用前景，这对实现绿色健康的生活具有重要的意义。外界环境因素，如酸碱性、湿度、温度、应力等，会对结构生色纺织品中特殊的周期性物理结构有一定的调控作用，由此随外界环境因素的变化产生不同颜色的结构色。这种利用外界环境因素变化在可见光范围内动态调控颜色的技术，为传感器湿度、温度、酸碱度探测设备的发展提供了新的思路。此外，还可利用光散射中光强对结构生色的影响以及结构色对观察角度的依赖性，对隐身材料的制备提供了一种新思路，例如基于光子晶体结构制得的结构色纤维可用做钞票真伪标志。

3、结构色油滴

美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员是在研究一类特殊的油滴时发现这种新的结构色机制的。他们将两种不溶于水但又彼此不互溶的有机物液体分散到水中，形成的油滴并非均匀的球形，在油滴中两种有机物交界处会形成一个弯曲的液面。随后他们发现，在光的照射下，本应无色的液滴的边缘却呈现出绚丽的色彩。研究人员通过实验和理论模拟确认了颜色的成因：由于油滴内上方密度较小的液体折射率高于下方密度较大的液体，当光从上至下照射进油滴时，会在两种液体的界面处发生全反射，即入射光全部被反射，不会发生折射进入另一种介质。由于曲面的存在，经过多次全反射后，照射到液滴不同部位的光会出现光程差，从而发生干涉，进而导致油滴呈现出特定的颜色。

油滴呈现出的结构色。图中标尺为100微米（大图）和2厘米（小图）

研究人员进一步发现，改变油滴中两种液体交界处曲面的形状时，油滴呈现的结构色也会发生变化，这使得新的显示技术成为可能。例如他们在水中加入了一种特殊的表面活性剂，其化学结构会在紫外线照射下发生变化，而这又进一步影响油滴中的曲面形状。如果选择性地照射液体中某些区域，就可以得到两种不同的颜色，从而呈现出特定的图案。

改变油滴中液面的形状会改变油滴的结构色，从而在液面上呈现一定的图案。图中标尺为2厘米（中图）和50微米（右图）

4、光学信息加密南京大学的徐挺教授和陆延青教授带领其课题组，联合美国国家标准与技术研究院的研究人员，合作完成一项利用自然光结构色来绘画的实验，他们超高精度地复现了十七世纪荷兰艺术家扬·维米尔的传世画作《戴珍珠耳环的少女》。

这幅“画”的实际尺寸只有一毫米左右，需要通过显微镜才能观察到细节；此外“绘画”没用任何颜料，仅靠微纳结构材料对光的折射转化，就为整幅画精确涂上了应有的色彩；而且首次实现了对光色明暗过渡的控制，让整幅画看上去更加富有立体感。

研究人员表示首先这是一种特殊的加密信息存储方式，可以通过控制光的不同波长输出和投射转化，把图像或文字存储到一个玻璃片上，由于每一个像素都是纳米级的，保存的信息会非常丰富。

其次，实验需要通过特殊偏光滤镜调节才能展现出一张清晰漂亮的画，如果把这个滤镜拿掉，那呈现出来的图案是完全不一样的，且由于这个微纳结构的原始设计和制作相当复杂，很难去仿造，在一定程度上，该技术可以用来做高价值物品的防伪，给某些物品编码图像和文字，这个“防伪”标识只有通过一些特殊手段，才能看到它真实的样貌。

5、微纳结构色包装（无墨印品、微纳纹理）任何一个产品都离不开包装，任何一个包装也都离不开印刷，而过度印刷往往与绿色环保相悖，有些甚至是有害的。比如：印刷油墨中常使用乙醇、甲苯、二甲苯等有机溶剂。上述有机溶剂干燥后绝大部分都会被排放在空气中污染环境，而残留部分还会对消费者人体造成危害。特别是上墨面积较大、墨层较厚的印刷品，其残留溶剂较多，在使用过程中释放出的有毒物质污染空气、危害人们的健康。

无墨印品认为，采用环保材料、工艺，并简化工艺流程、减少环境污染、降低制造成本，是企业目前最大的刚需。

无墨印品是一种基于表面微纳结构产生的光的反射、折射、衍射、散射等现象，用来表达图像文字的色彩、反差、动态、立体等信息，也就是上面所说的结构色。这种微结构承载在玻璃、塑料乃至金属板材上，可以局部或全部代替传统油墨印刷工艺。它不仅具有科技、时尚、环保、低成本等优势，同时可以让纹理更加精细、丰富和灵活多变。这不仅仅是一种技术层面上的突破，更重要的是一种观念上的变革。

无墨印品药包

无墨印品酒水包装

无墨印品玛卡酒包

无墨印品烟油包装

无墨印品电子烟包

无墨印品香烟包装

无墨印品烟包

苏州印象科技将环保、时尚、防伪完美的融合起来，放弃了那种过分强调产品外观设计上浓妆艳抹的油墨印刷，以一种更为负责任的态度和方法去创造包装印品的新形态，用更简洁、持久的造型使产品尽可能地延长其使用寿命，同时传达绿色、人文的精神理念，为环保印刷包装，为保障消费者安全做出自己的贡献。

三、关于结构色的未来

结构色的应用还不止于此，作为一种颠覆性的色彩呈现技术，结构色所具有的独特性，使其在印刷、显示、喷涂、防伪等领域必将迎来广阔的应用前景，在国防和军事领域，它的应用更是潜力巨大。

利用独特成色原理，推动隐身、伪装等军事技术变革。结构色是一种可以对光波（即电磁波）精细控制的色彩表达方式，可通过对电磁波频率（波长）、振幅、偏振、自旋和轨道角动量等性质的调控，使它在隐身、伪装、三维成像、头盔式显示、人工智能、虚拟增强和虚拟现实、光信息处理等方面展现出重要军事价值。国外一家研究机构通过改变染料中纳米颗粒间距，让其只吸收或散射特定颜色的光，在雷达甚至红外侦测时能达到隐身的效果。这一被称为“光子染料”的新型技术，若广泛应用于军事装备喷涂，将带来军事隐身、伪装等技术变革，从而极大提高军事装备的自身防护能力和军事行动的隐蔽性。

通过对结构的精细设计，研制可穿戴智能装备。结构色通常属于多层微孔结构，通过精细设计，这种特殊结构可让液体或气体流入，并让其实现内部循环，从而使贴身装备在不同温度、湿度条件下，仍具有优良的保温和透气性能。同时，可在军服、伪装材料表面引入周期性疏水或疏油颗粒，制造出兼具伪装能力和防水防油能力的功能性服饰。

本文资料来源：

1、朱小威，邢铁玲，《结构生色纺织品的研究进展》，纺织科学与工程学报，37 卷第 4 期( 总第 138 期)；

2、《科学家研发新型智能显示结构色薄膜材料》中国科学报；2019 年第 11 期 :111；

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