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可变结构颜色胶体晶体纳米复合涂层材料的研究与应用¬¬

2014-10-24

澳宝石又名欧泊(Opal)、蛋白石、变彩石。因为全球97%的澳宝石产自澳洲,所以澳宝石又被称作是澳大利亚的国石。天然澳宝石的价格非常昂贵,其中顶级澳宝石的价格堪比钻石。天然澳宝石具有彩虹般绚丽变幻的色彩,这种颜色是无色的二氧化硅胶体颗粒在特殊的地质运动和硅酸盐沉积的共同作用下,历经千万年形成的胶体晶体的结构颜色。

2009年以来,青岛大学材料科学家丛海林教授和于冰副教授组建的科研团队把研究的焦点放到了制备比天然澳宝石变色性能更好、成本更低的仿生澳宝石涂层材料上。历经成千上万次试验的失败,他们终于成功研发了可变结构颜色胶体晶体纳米复合涂层材料,如图1所示。与在漫长而又特殊的地质运动中形成的天然澳宝石(图1c1d)相比,他们利用可变结构颜色胶体晶体纳米复合涂层材料制备的仿生澳宝石(图1a1b),由于纳米复合散射材料的引入而变色性能更佳,成本却比天然澳宝石降低了1000余倍,几乎可以忽略不计,有望取代天然澳宝石在装饰和防伪材料中得到广泛应用。这一工作对于拓宽胶体晶体的应用,解决目前涂料生产中颜料或染料性能不足和环境污染等问题,以及未来智能仿生涂料的设计和开发提供参考,具有重要意义。

丛海林教授和于冰副教授的此项研究成果作为研究亮点发表在Optics Express2013,21,17831; 2011,19,12799)和Chem Soc Rev2013,42,7774)的封面上,被先进工程学术网站(AIE)评选为Key Scientific Article进行报道,并于2014年荣获山东省高等学校优秀科研成果奖自然科学类一等奖。

此外,丛海林教授和于冰副教授组建的科研团队还利用该可变结构颜色胶体晶体纳米复合涂层材料制备出仿生霓虹脂鲤结构染料(图2)。传统染色是借助染料、颜料、色素对光的吸收和反射作用产生颜色,不但在光、热或溶剂作用下容易褪去,而且染料制备和染色过程容易造成环境污染。其实早在数亿年前,生物就在很好地制备和利用着胶体晶体及其结构颜色。自然界中许多生物体的器官,如象鼻虫的甲壳、大闪蝶的翅膀和孔雀的羽毛等,都具有和胶体晶体相同或类似的结构,并因此而拥有漂亮的颜色,这些结构颜色是传统的颜料或染料无法比拟的。

此项工作通过对自然界中霓虹脂鲤的可变结构颜色进行仿生学研究,最终成功研发了纳米胶体晶体仿生结构染料,具有结构颜色栩栩如生、变幻自如,经久耐用,且对环境无毒无害的特点,目前正在进行纳米胶体晶体仿生染料纤维染色工艺的研发,在清洁染整方面具有很好的开发和应用前景。