有這樣一種光子凝膠,當像擠牙膏一樣把它涂在紙上或塑料上,只需輕輕一拍、輕輕一折或用手指一劃,光子凝膠就能在短短一秒鐘內從白色變成彩虹色,未來有望讓日常生活用品變得既漂亮又環保。這便是由來自上海交通大學的研究人員打造出的最新材料。
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(來源:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10236)
什么是結構色?為什么它很特別?
我們平時看到的顏色大部分都是色素色,比如一種顏料之所以呈現出紅色,是因為它吸收了其他顏色的光,以至于只發射紅色。而結構色就像蝴蝶翅膀、孔雀羽毛或者肥皂泡的顏色,本身沒有色素,只是依靠其表面微小的、規則排列的結構來反射特定顏色的光。
我們可以把結構色想象成為無數個極其微小的“鏡子”,這些鏡子其實是只有頭發絲千分之一大小的塑料小球或玻璃小球,它們按照非常整齊的隊列排。當光芒照射上去之后,這些小鏡子只讓某種顏色的光以一致的步調反射出來,其他顏色的光則會被抵消,于是我們就能看到非常鮮艷純凈的顏色。
結構色有很多優點:它不會像顏料那樣褪色,色彩往往更加閃亮,也有著金屬或者珍珠般的光澤,而且更加環保。但在過去,人們很難制造大面積和高質量的結構色材料,要么速度很慢、要么成本高昂,遑論用于日常生活了。
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(來源:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10236)
一拍即晶的秘密配方
而該團隊能夠解決上述難題,在于采用了光子凝膠這種特殊的果凍。它的配方制作流程非常簡單:
首先,準備大小完全相同的微小塑料球或玻璃球,直徑大約 200 納米,這一尺寸比細菌還要小得多。其次,把這些小球均勻地混合到一種黏稠的膠水里,這種膠水既可以是我們常見的甘油和蜂蜜,也可以是從甘蔗中提取出來的麥芽糖漿。這些材料不僅安全和常見,甚至可以食用。
當把這些小球泡在膠水里的時候,它們就像被凍住了一樣,亂糟糟地擠在一起,看起來就是一團白色的膏狀物,沒有任何的顏色。但是,只需給它施加一個快速的剪切力,也就是讓膏體的上下兩層發生快速和微小的錯動,這時就能瞬間反射出鮮艷的顏色。
我們可以把這種剪切力想象為洗牌。原來雜亂無章的小球,在快速、有規律的剪切動作之下,迅速被整理得整整齊齊。在這項研究中,洗牌的方式簡單而有趣:即把涂有凝膠的薄膜輕輕一彎,或者用手指快速劃過其表面,甚至拿著紙片啪地抖動一下,就完成了洗牌和整理的過程。
之所以這么快,是因為使用傳統方法讓這些小球進行整齊排列時,需要上千次緩慢的剪切,或者要等待好幾天讓它自己慢慢沉淀和結晶。而光子凝膠的配方,通過選擇膠水的黏度和調節小球的濃度,可以讓小球門處于一個躍躍欲試的狀態。
這時,只需一個 0.05 到 0.5 秒的快速剪切動作,就能在膠水的幫助之下,迅速找到自己的位置,排列成為整齊的閱兵方陣也就是面心立方晶體,從而能夠瞬間發射出來鮮艷的顏色。
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(來源:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10236)
那么,這個變色過程是如何被操控的?這里涉及到幾個關鍵的“控制器”:膠水黏度控制器、小球濃度控制器、剪切力大小控制器。
膠水既不能太稀,也不能太稠,像甘油這樣黏度適中的膠水,是讓小球一拍即合的最佳幫手。凝膠中小球的密度也很關鍵,該團隊通過實驗找到了最佳比例,讓小球門既可以就近交流,又有足夠的空間在剪切時換位排列。
同時,輕輕地彎一下和大幅度彎一下,所產生的效果也不相同。小力度剪切可以生長出非常完美的超大晶體,色彩極純;而大力度剪切則能讓整個材料更快地全部變為晶體。通過進行這些調節,即可讓光子凝膠在不同的需求之下,展現出最佳的變色性能。
在應用前景上:首先,本次成果可被用于智能交互與顯示,把它做成薄膜貼在手機或智能手表腕帶上,通過彎曲或觸摸,就能顯示簡單的圖案或者信息,實現無屏幕的交互;其次,可用于綠色印刷與綠色涂料,這種基于水和甘油的光子凝膠非常環保,可以使用卷對卷印刷機將其印刷在紙張和塑料薄膜上,制作成為環保海報、裝飾材料甚至建筑外墻涂層等。
參考資料:
相關論文https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10236
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