基于软磁性核壳微纳结构可控组装的仿生生色体系与颜色调制

In this project, brightly colored biomimetic color system (BCBCS), similar to the color of butterfly wings and bird feathers in nature, is designed and established through combination of black dye and photonic crystals by utilizing selectively reflection of visible light of photonic crystal, absorption of residual transmission and background light of black dye. The mechanisms of color modulation and color locking effect by light-curing will be researched to realize long-term and stable color. Moreover, the facile controllable synthesis approach of novel biomimetic color materials will be set up with the study of synthesis principle, morphology control and controllable assembly techniques of Fe@dye-SiO2@ZrO2 with soft magnetic properties. In addition, the cooperative effect of chromophoric and structural color will be revealed by researching the correlation between the micro/nano structure and assembly property and color. The brilliant shade of structural color will be improved by utilizing combination of structural color of photonic crystal and charateristics of absorption of visible light of black dye. And the photostability of the dye will be enhanced by encapsulation of the dye with micro/nano structure in BCBCS.The research and application of the novel functional materials will provide one new straightforward and convenient approach for establishing BCBCS, and this research will show significant theoretical value and practical meaning.

本项研究利用光子晶体对可见光的选择性反射、黑色染料对剩余可见透射光与背景光的全吸收性能，设计将黑色染料与光子晶体有机复合，像自然界的蝴蝶翅膀和鸟类羽毛的生色一样，构建颜色艳丽的仿生生色体系，并研究其颜色调制机理与光固化颜色锁定效应，实现颜色调制与长效稳定；研究软磁性Fe@dye-SiO2@ZrO2核壳型微纳结构的形貌控制及可控组装成光子晶体的相关技术，建立新型仿生生色材料的简便可控合成方法；研究微纳结构与组装性能及颜色的相关性，揭示色素对结构色的颜色鲜艳度增强机制。将光子晶体的结构生色与染料的色素生色有机融合，利用染料对其他可见光的吸收，增强光子晶体结构生色的颜色鲜艳度；利用微纳结构对染料的包埋作用，提升染料的环境稳定性；利用光固化反应的快速特性，锁定结构色，从而为颜色鲜艳且长效稳定的仿生生色体系的设计、合成与性能研究奠定理论基础并提供切实可行的新途径，具有理论和实际双重意义。

光子晶体因其特有的光子禁带结构而对光波具有调制作用，在结构生色领域具有广阔的应用前景，但光子晶体结构色因其受背景光干扰，导致颜色鲜艳度差，使其应用受到限制。本研究的目标是构筑颜色鲜艳的仿生光子晶体结构生色体系，阐明光子晶体结构参数变化对其颜色的调制机理，并建立微纳结构粒径、形貌的可控合成途径及可控有序组装与颜色快速锁定方法，为微纳结构可控组装的仿生生色体系研究奠定理论基础。. 项目执行期内，制备了二氧化硅、聚苯乙烯、四氧化三铁及软磁性核壳结构的四种胶体微球，分别采用浸渍提拉、加热辅助、磁诱导自组装及光固化技术对胶体微球进行组装与结构锁定，构建光子晶体结构色材料。构筑过程中，利用黑色色素对可见光的宽吸收特性，将其与微球乳液共组装，有效吸收人工光子晶体缺陷造成的散射光，得到了颜色鲜艳的结构色膜。利用聚丙烯酸酯低的玻璃化转变温度与粘附性，将小粒径的聚丙烯酸酯与聚苯乙烯微球加热辅助共组装，得到高强度结构色膜。在开发快速制备光子晶体研究中，利用磁性胶体微球对外磁场的快速响应性，将Fe3O4及软磁性核壳胶体微球溶液在磁场诱导下快速自组装得到胶体光子晶体结构色。在溶液中加入光敏性单体，进行磁组装的同时进行紫外光固化，得到磁基光子晶体结构色材料，此快速磁组装光固化技术为光子晶体的快速制备与结构锁定提供了新途径。. 经本项目系统研究，为颜色艳丽的仿生结构色体系的构筑奠定了理论基础，而对提升光子晶体结构色的可视性与强度的研究结果为其实际应用提供了切实可行的新途径。同时采用磁组装光固化技术制备的磁基结构色膜具有温度响应的特性，可用于温度检测，此外，磁组装光固化技术可根据加入不同光固化单体的性质制备得到具有不同功能的检测器，为快速制备光子晶体器件提供了新思路。