近年來(lái)，結(jié)構(gòu)色因其高飽和度、不褪色和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，成為替代傳統(tǒng)化學(xué)染料的研究熱點(diǎn)。然而，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)色技術(shù)大多依賴復(fù)雜且昂貴的微納加工工藝，一旦制備完成便難以再調(diào)整顏色，限制了其在個(gè)性化定制和大規(guī)模應(yīng)用中的潛力。

近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所趙志剛研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種基于MXene墨水的噴涂自組裝新方法，能夠高效、可定制地制備結(jié)構(gòu)色薄膜。該方法利用單一墨水，通過(guò)調(diào)控噴涂時(shí)間、墨水濃度和基底溫度等參數(shù)，在預(yù)設(shè)計(jì)的鋁/氧化銦錫（Al/ITO）基底上原位構(gòu)建法布里-珀羅（F–P）光學(xué)諧振腔，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、大范圍的顏色調(diào)節(jié)，色相可在70秒內(nèi)覆蓋近360°全色域，色彩表現(xiàn)甚至媲美商業(yè)印刷標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)論文以“ In Situ Construction of Optical Resonators from MXene Inks for Highly Modifiable and Scalable Structural Colors ”為題，發(fā)表在 ACS Nano 上，論文第一作者為 Zhu Baohang和Li Yaowu。

研究人員首先設(shè)計(jì)了一種三層結(jié)構(gòu)（Al/ITO/MXene），其中鋁作為高反射層，ITO為無(wú)損介質(zhì)層，MXene則作為高折射率、高損耗的頂層材料，共同構(gòu)成不對(duì)稱F–P諧振腔。通過(guò)噴涂MXene墨水，納米片在溶劑蒸發(fā)過(guò)程中自組裝成平整致密的薄膜，其厚度隨噴涂時(shí)間線性增加，從而改變共振條件，產(chǎn)生從黃、橙、紅、紫、藍(lán)、青到綠等多種顏色。圖1展示了該技術(shù)的整體概念與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括噴涂工藝示意圖、三層結(jié)構(gòu)的截面SEM圖像以及光在諧振腔中的傳播路徑。與單一MXene層或Al/MXene雙層結(jié)構(gòu)相比，三層諧振腔展現(xiàn)出更鮮艷的結(jié)構(gòu)色。

圖1. 使用噴涂MXene墨水構(gòu)建法布里-珀羅共振結(jié)構(gòu)色的概念與設(shè)計(jì)。 (a) 利用單墨水噴涂工藝創(chuàng)作藝術(shù)品的概念演示，替代復(fù)雜的傳統(tǒng)繪畫(huà)方法。 (b) 用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的Al/ITO/自組裝MXene層結(jié)構(gòu)示意圖。 (c) Al/ITO/自組裝MXene三層結(jié)構(gòu)的截面SEM圖像。比例尺：100 nm。 (d) 光在Al/ITO/MXene F–P共振腔中傳播的示意圖。 (e) 三種結(jié)構(gòu)類型的光學(xué)圖像（1×1 cm2）對(duì)比。

圖2進(jìn)一步揭示了該結(jié)構(gòu)色體系的高度可調(diào)性。隨著MXene層厚度從5 nm增加至125 nm，反射光譜中的共振谷發(fā)生超過(guò)150 nm的紅移，色相實(shí)現(xiàn)全環(huán)變化。此外，通過(guò)協(xié)同調(diào)控ITO層厚度和噴涂時(shí)間，研究人員不僅能精確控制顏色明暗漸變，還能構(gòu)建出覆蓋CIELAB廣色域的豐富色彩矩陣，其色域范圍甚至超過(guò)了某些商業(yè)印刷標(biāo)準(zhǔn)（如CRPC1和CRPC6）。該結(jié)構(gòu)色還表現(xiàn)出良好的角度不敏感性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖2. 自組裝結(jié)構(gòu)色表面的高度可調(diào)光學(xué)性能。 (a) 具有不同MXene層厚度的Al/ITO/自組裝MXene三層結(jié)構(gòu)的截面SEM圖像。左上插圖為對(duì)應(yīng)MXene厚度（h?）下的結(jié)構(gòu)色表面光學(xué)圖像。 (b) 不同MXene層厚度下結(jié)構(gòu)色表面的反射光譜及對(duì)應(yīng)光學(xué)圖像。 (c) 結(jié)構(gòu)色表面色相值與噴涂時(shí)間及h?的關(guān)系。 (d) 通過(guò)協(xié)同調(diào)控h?和h?實(shí)現(xiàn)顏色明度的精細(xì)控制。 (e) 不同t?和h?值對(duì)應(yīng)的全色相色彩矩陣。 (f) 結(jié)構(gòu)色樣品在CIELAB色彩空間中的色度坐標(biāo)與ISO/PAS 15339–2中CRPC 1和CRPC 6標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比。

圖3重點(diǎn)分析了影響結(jié)構(gòu)色質(zhì)量的關(guān)鍵因素。MXene薄膜的自組裝質(zhì)量直接決定光學(xué)共振效果。研究表明，使用低表面張力的乙醇作為溶劑有利于墨水鋪展和納米片有序排列，從而形成更平整的薄膜，增強(qiáng)F–P共振效應(yīng)。此外，較低的MXene濃度和接近乙醇沸點(diǎn)的基底溫度也有助于提高薄膜質(zhì)量和顏色飽和度。這些參數(shù)的優(yōu)化顯著提升了結(jié)構(gòu)色的視覺(jué)表現(xiàn)和光學(xué)性能。

圖3. 高質(zhì)量結(jié)構(gòu)色的關(guān)鍵因素。 (a) 溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)MXene納米片組裝成膜的示意圖，有效組裝有助于形成更平整的涂層，從而產(chǎn)生強(qiáng)光學(xué)共振和顯著的反射光譜峰差。 (b) 不同溶劑比例墨水噴涂所得結(jié)構(gòu)色表面的光學(xué)圖像[第1行(i)-(v)]、3D共聚焦顯微圖像[第2行(i)-(v)]和表面粗糙度偽彩圖像[第3行(i)-(v)]，其中Sa代表表面粗糙度。 (c) 不同溶劑比例的表面張力及其在基底表面的接觸角圖像。 (d) 不同溶劑比例墨水所得結(jié)構(gòu)色的反射光譜。 (e) 基于梯度溶劑比例的結(jié)構(gòu)色峰差與顏色飽和度變化的關(guān)系。 (f) 基于梯度MXene濃度的結(jié)構(gòu)色峰差與顏色飽和度變化的關(guān)系。 (g) 在不同基底溫度下噴涂所得結(jié)構(gòu)色的峰差與顏色飽和度變化的關(guān)系。

圖4展示了該技術(shù)在圖案化、高精度打印和大規(guī)模制備方面的應(yīng)用潛力。通過(guò)掩模噴涂，研究人員實(shí)現(xiàn)了“七色花”圖案的實(shí)時(shí)著色；借助商用絲網(wǎng)印刷設(shè)備，更實(shí)現(xiàn)了精度低于70 μm的單點(diǎn)噴涂，成功復(fù)現(xiàn)人像細(xì)節(jié)。最后，該技術(shù)還在0.3×2 m2的大面積鋼卷上實(shí)現(xiàn)均勻且鮮艷的結(jié)構(gòu)色噴涂，顯示出出色的可擴(kuò)展性。

圖4. 結(jié)構(gòu)色薄膜的圖案化、精細(xì)化與可擴(kuò)展制備。 (a) 使用掩模模板通過(guò)噴涂制作花卉圖案。 (b) 通過(guò)不同時(shí)長(zhǎng)噴涂實(shí)現(xiàn)“七色花”原位“開(kāi)花”過(guò)程。 (c) 用于噴涂復(fù)現(xiàn)人像的模板圖案。 (d–f) 使用商用印刷工具精細(xì)噴涂復(fù)現(xiàn)人像。 (g) 柔性、米級(jí)結(jié)構(gòu)色薄膜的照片。

該研究開(kāi)發(fā)了一種基于單一MXene墨水的噴涂成型技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)色的大面積、實(shí)時(shí)原位調(diào)控，解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)色制備中難以修改和大面積加工的難題。該方法不僅色彩豐富、飽和度高，還具有高度的定制化和良好的穩(wěn)定性，為結(jié)構(gòu)色在顯示、裝飾、防偽等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更靈活、高效的解決方案。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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