单分散、高折射率微球的设计合成和颜色艳丽、稳定结构色的构筑

Because of the low refractive index of the artificial structural colored materials, the artificial structural color is not bright enough and can't keep stable for a long time. In addition, preparing highly monodispersed particles with high refractive index and good stability is difficulty. In order to overcome above problems, a two-step method was designed to synthesize monodispersed particles with high refractive index. Building periodic arrays of these particles will realize artificial structural color with strong brightness and good stability. The synthesis process and mechanism of the formation of monodispersed polycrystalline particle with controlled particle size will be investigated. The relationship between the surface charge on the particles and electrostatic repulsions will be studied to realize the monodisperse and anti-agglomeration of particles. The effect of particle size and size distribution on the tuning of structural color will be discussed. The pertinency of refractive index contrast and materials structural with the wavelength and reflax peak value will be established. The mechanism of tuning the structural color will be concluded and red, green and blue colors should be obtain finally. Thus, low brightness and poor stability- the scientific problems of the artificial structural color can be solved.

本课题针对人工结构生色由于所用材料折射率低、微球有序结构稳定性差所导致的结构色不够艳丽和稳定的核心科学问题和高折射率材料难以制备成均匀、可组装微球的问题，设计合成高折射率多晶微球用以构筑结构色，实现颜色艳丽、可锁定的结构生色体系的构筑。研究多晶微球形成过程中晶核的生成和聚集生长两个过程的控制机制，探究粒径均匀、尺寸可控的多晶微球形成过程及机理；然后通过对微球表面包覆聚合物的方法提高微球表面的电荷密度，进行微球间的静电排斥与表面电荷密度相关性研究，实现微球的自分散与防团聚；改性后的微球通过浸滞提拉法构筑人工结构生色体系，通过多晶微球粒径大小调控结构生色的颜色；采用光固化法对微球有序结构锁定，建立高、低折射率材料的折射率差值、材料结构与结构色颜色、反射峰强度的关联性，得到色彩艳丽、长效稳定的的红、黄、蓝三原结构色，解决传统光子晶体结构色色彩暗淡和稳定性差的科学难题。

本课题针对目前人工光子晶体由于所用材料折射率低、微球有序结构稳定性差所导致的结构色不够艳丽和稳定的核心科学问题和高折射率材料难以制备成均匀、可组装微球的问题，成功地通过两步法设计合成了单分散、粒径可调的Cu2O，TiO2，CdS和ZnS等高折射率多晶微球；利用合成的多晶微球制备了高度有序的三维光子晶体，由于材料的高折射率，所得到的光子晶体不但具有亮丽的结构色，还降低了角度依存性，拓展了其在显示和传感等领域的应用前景；通过将聚合物引入到光子晶体内部，锁定了结构色，得到色彩艳丽、长效稳定的红、黄、蓝三原结构色；另外，利用高折射率材料构筑的光子晶体强带隙特性，实现了通过简单的喷墨打印将光子晶体图案化，解决了光子晶体图案化困难的问题，并可通过改变观察角度实现图案的隐藏和显现，可应用于防伪标签；最后，将高折射率材料构筑的光子晶体用于调控发光体的发光，不但可以实现对发光寿命和强度的同时调控，还可实现对多发射峰发光的分离和方大。通过本项目的研究，解决了传统光子晶体结构生色色彩暗淡与微球有序排列长效稳定性差的科学难题，构建了色彩艳丽生色体系，实现了结构生色色彩艳丽、长效稳定的目标高折射率多晶微球用以构筑结构色，实现颜色艳丽、可锁定的结构生色体系的构筑，并实现了在图案化防伪和发光调控方面的应用。