光子晶体结构色简介及研究进展
光子晶体结构生色真丝织物的制备及应用研究
研究与技术丝绸JOURNAL OF SILK光子晶体结构生色真丝织物的制备及应用研究Study on the preparation and application of structural colored silk fabrics based on photonic crystals向娇娇1,马万彬1,金梦婷1,张耘箫1,周㊀岚1,3,邵建中1,刘国金1,柴丽琴1,2(1.浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院),杭州310018;2.淄博大染坊丝绸集团有限公司,山东淄博255300;3.浙江省现代纺织技术创新中心,浙江绍兴312000)摘要:为实现真丝织物的结构生色,文章分别利用真空辅助过滤法和手绘法在白色真丝织物上构筑光子晶体结构㊂进一步探究真空辅助过滤法中微球组装液体积浓度对结构色的影响规律,分析微球在真丝织物上形成光子晶体运动机制,讨论真丝织物上光子晶体结构色的虹彩效应,并探究手绘法在真丝织物光子晶体结构生色中的应用效果㊂结果表明:真空辅助过滤法中聚(苯乙烯甲基丙烯酸),即P (St-MAA )微球组装液的体积浓度为2.4L /m 2时,真丝织物的两面能同时获得光子晶体结构色,此时正反面结构色的反射率峰值在18%左右;在真空辅助过滤法中,P (St-MAA )微球在真丝织物上形成光子晶体结构的过程遵循 先反后正 堆积原则,即织物反面先形成光子晶体,随后微球进一步透过织物堆积在正面㊂此外,该光子晶体结构生色真丝织物的虹彩效应不明显,与常规染料或颜料着色效果接近;手绘法可以获得图案化的光子晶体生色结构,较适合于个性化加工㊂该研究为光子晶体结构生色在真丝织物着色中的应用提供参考㊂关键词:真丝织物;光子晶体;结构生色;真空辅助过滤法;手绘法中图分类号:TS 193.57㊀㊀㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀㊀㊀文章编号:10017003(2024)05003208DOI :10.3969/j.issn.1001-7003.2024.05.005收稿日期:20230920;修回日期:20240328基金项目:国家自然科学基金项目(52003242);中国博士后科学基金资助项目(2023M 744122);山东省 博新计划 项目(SDBX 2023084)作者简介:向娇娇(1998),女,硕士研究生,研究方向为光子晶体结构色㊁纺织品后整理㊂通信作者:柴丽琴,实验师,博士,chailiqin 0101@ ㊂㊀㊀光子晶体是一类由不同介电常数的材料周期性排列组成的纳米微结构,具有光子带隙,能够与光发生衍射作用产生明亮的结构色[1-3]㊂相比于传统的化学染色,光子晶体结构色绿色环保,在纺织品着色领域具有巨大的应用价值[4-5]㊂以胶体微球为光子晶体结构的构筑基元,利用自组装技术在纺织基材上构筑光子晶体,并实现纺织品着色的研究屡见不鲜,尤其以重力沉降㊁垂直沉积等浸渍法为代表[6-8]㊂如柳浩等[9]利用浸渍提拉法在碳纤维/涤纶混纺纱线上制备出颜色鲜艳的光子晶体结构色;Zhang 等[10]通过单分散SiO 2微球的垂直沉积自组装成功在涤纶织物上获得了结构色㊂然而,浸渍法存在效率低㊁能耗高㊁对设备要求高等弊端㊂为此,亟待开发在纺织品上快速构筑光子晶体生色结构的方法㊂真空辅助过滤法具有操作简单㊁对设备要求低㊁制备流程短㊁易于控制等显著特点,这种方法在纺织品着色领域具有广阔的应用前景[11-13]㊂基于此,本文通过抽真空时形成的负压实现胶体微球与分散介质的分离,使胶体微球快速在纺织品表面堆积形成光子晶体结构㊂然而,胶体微球在真空辅助过滤条件下在纺织基材上形成光子晶体的工艺条件及成型机制还未被提及和研究㊂而通过优化工艺条件和探究制备过程是深入分析真空辅助过滤法在纺织基材上构筑光子晶体生色结构的关键,因此,该过程为真空辅助过滤法制备光子晶体结构生色棉织物提供了可行性㊂图案化结构色在显示器㊁防伪㊁纺织品等领域具有广泛的应用前景[14-15]㊂目前喷墨打印技术㊁喷涂法等在制备图案化结构色方面具有显著的优势,但要求设备精细且制备工序复杂[16-18]㊂受素描㊁绘画等图案化染色方式的启发,本文提出以胶体微球组装液为介质,通过手绘法在纺织基材表面快速构筑光子晶体实现图案化结构色效果㊂手绘法不仅简便易操作,还可根据需求进行个性化和批量化设计,为光子晶体结构色的图案化提供了策略支撑[19]㊂本文以胶体微球结构生色组装液为媒介,通过真空辅助过滤法和手绘法在真丝织物上快速构筑光子晶体生色结构㊂优化真空辅助过滤法中微球组装液的用量,探究真空辅助过滤法中P (St-MAA )胶体微球在真丝织物上的成型机制,并对比分析真空辅助过滤法和手绘法间的异同性㊂以期为光子晶23第61卷㊀第5期光子晶体结构生色真丝织物的制备及应用研究体结构生色在纺织品着色中的应用提供实践基础㊂1㊀材料与方法1.1㊀材料与仪器主要材料:平均粒径180~350nm的单分散P(St-MAA)胶体微球(实验室自制),黑色㊁工业级酸性染料(湖北信康医药化工有限公司),分析纯乙醇(上海麦克林生化科技有限公司),电导率18MΩ/cm去离子水(实验室自制),平均孔径0.1μm的亲水聚四氟乙烯(PTFE)过滤膜(龙津膜业科技有限公司),白色㊁平纹组织㊁平方米质量88.8g/m2的真丝织物(淄博大染坊丝绸集团有限公司),毛笔(晨光文具店)㊂主要仪器:SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵(杭州惠创仪器设备有限公司),TG18G型台式高速离心机(盐城市凯特实验仪器有限公司),ULTRA55型场发射扫描电子显微镜(FESEM)(德国蔡司公司),MA98型多角度分光光度仪(美国X-Rite公司),Lambda900型紫外可见分光光度仪(美国珀金埃尔默公司),KH-7700型三维(3D)视频显微镜(日本浩视有限公司),Mate Pro30型华为手机(中国华为技术有限公司)㊂1.2㊀方㊀法1.2.1㊀P(St-MAA)胶体微球组装液的配制将实验室自制的P(St-MAA)胶体微球乳液[20]经乙醇和去离子水多次离心清洗(离心速率10000r/min,时间30min),去除上清液后得到白色湿态产物,随后将湿态产物与去离子水共混得到浓度为10%(以质量分数计)的P(St-MAA)胶体微球预组装液㊂以预组装液为主体,向其中选择性加入一定量的黑色染料(1%~9%)作为辅助剂,搅拌均匀后获得P(St-MAA)胶体微球组装液㊂1.2.2㊀光子晶体结构生色真丝织物的制备1)真空辅助过滤法㊂采用真空辅助过滤法制备光子晶体结构生色真丝织物,如图1所示㊂由图1可以看出,将亲水PTFE过滤膜㊁真丝织物依次放置在砂芯过滤器上,随后使用夹子固定抽滤杯与砂芯过滤器㊂向抽滤杯中倒入一定量的P(St-MAA)胶体微球组装液,并开启真空泵,保持真空压力在0.06~0.07MPa㊂当抽滤杯中没有P(St-MAA)胶体微球组装液时,将真丝织物从砂芯过滤器上取出,于70~80ħ烘箱中干燥,得到具有光子晶体生色结构的真丝织物㊂本文将真丝织物与过滤膜接触的一面称为 反面 ,另一面称为 正面㊂图1㊀光子晶体结构生色真丝织的制备流程示意Fig.1㊀Schematic diagram of the preparation process of structural colored silk fabrics based on photonic crystals㊀㊀2)手绘法㊂以1.2.1中的P(St-MAA)胶体微球组装液为结构生色颜料,利用毛笔在白色真丝织物上绘制各种图案,经70~80ħ烘箱干燥后取出,即可在真丝织物上获得图案化的光子晶体㊂1.3㊀测试与表征1.3.1㊀真丝织物表面光子晶体排列观测采用FESEM观察形成光子晶体结构前后真丝织物的形貌,测试时剪取一小部分负载P(St-MAA)胶体微球的真丝织物,贴于电镜样台,经过中空镀金仪镀金后,使用FESEM观察P(St-MAA)胶体微球在真丝织物上的排列状态㊂镀金仪工作电流为20mA,镀金时间为80s㊂FESEM测试时工作电压为1.5kV㊂1.3.2㊀真丝织物表面光子晶体结构色的呈色效果测试采用数码相机和KH-7700型三维(3D)视频显微镜观察真丝织物上光子晶体结构色的明亮性和均匀性㊂采用Lambda900型紫外可见分光光度仪测试结构色的反射率曲线㊂采用MA98型多角度分光光度仪测试真丝织物表面光子晶体结构色的虹彩效应㊂2㊀结果与分析2.1㊀真空辅助过滤用组装液体积浓度的优化真空辅助过滤组装过程中,组装液体积浓度是影响真丝织物上光子晶体结构色成型的重要因素㊂图2为不同组装液体积浓度下P(St-MAA)胶体微球在真丝织物上排列的33Vol.61㊀No.5Study on the preparation and application of structural colored silk fabrics based on photonic crystalsFESEM 图像,其中组装液所能覆盖的面积为半径2cm 的圆形真丝织物,P (St-MAA )胶体微球的粒径为223nm ㊂由图2(a ~c )可以看出,当组装液体积浓度为0.4~1.6L /m 2(组装液体积与织物面积的占比)时,P (St-MAA )胶体微球分布凌乱,难以完全覆盖纤维,无法构筑大面积的光子晶体结构;随着组装液体积浓度的增加(2.4~4.0L /m 2),胶体微球完全覆盖真丝织物正反两面,且微球在局部范围分布有序,这主要是因为真空辅助过滤过程中,小部分P (St-MAA )胶体微球依靠自身的静电相互作用聚集成块,形成 小有序体 ,在大气压力的推动下,不同位置的 小有序体 所受的力不一致,加之纤维间的起伏不平,短时间内难以形成大范围内有序排列的堆积,仅排列成局部范围内有序的结构㊂综上,当组装液体积浓度为2.4~4.0L /m 2时,P (St-MAA )胶体微球在真丝织物的两面均能构筑出局部范围内有序的光子晶体结构,从而使真丝织物获得光子晶体结构色㊂图2㊀不同组装液体积浓度下P (St-MAA )胶体微球在真丝织物上排列的FESEM 图像Fig.2㊀FESEM images of arrangements of P (St-MAA )colloidal microsphereson silk fabrics at different dosages of assembly solution为进一步表示P (St-MAA )胶体微球构筑光子晶体生色结构的呈色效果,采用数码相机观测不同组装液体积浓度下,光子晶体结构色真丝织物的照片,结果如图3所示㊂由图3可以看出,真丝织物正反面光子晶体结构色的明亮程度与组装液体积浓度密切相关㊂当组装液体积浓度少于0.4L /m 2时,胶体微球的数量不足以在真丝织物正反面同时构筑大面积的光子晶体结构,导致绿色结构色主要出现在织物反面㊂当体积浓度从0.4L /m 2增加至2.4L /m 2时,真丝织物反面上的结构色愈加明亮,正面也逐渐出现绿色的光子晶体结构色㊂然而,继续增大组装液体积浓度(4.0L /m 2)时,由于组装液中含有的胶体微球数量较多,堆积的光子晶体结构层太厚而出现裂缝,容易从织物表面脱落,最终影响了结构色效果㊂因此,组装液体积浓度为2.4L /m 2时,真丝织物正反面能够同时获得明亮且完整的光子晶体结构色,与上述结果保持一致㊂此外,该过程表明P (St-MAA )胶体微球是先在真丝织物反面堆积成光子晶体结构,再逐渐向正面堆积,最终两面均构筑出完整的光子晶体结构,即微球在真丝织物上形成光子晶体结构的方式是遵循 先反后正 的原则㊂图3㊀不同组装液体积浓度下光子晶体结构色真丝织物的数码照片Fig.3㊀Digital photos of structural colored silk fabricsbased on photonic crystals at differentdosages of assembly solution图4为不同组装液体积浓度下光子晶体结构色真丝织物正反面的反射率曲线㊂由图4可见,随着组装液体积浓度的增加,真丝织物正反面光子晶体结构色的反射率峰值逐渐变大,但反面的波动幅度小于正面㊂这是由于P (St-MAA )胶体微球在真空辅助过滤过程中遵循 先反后正 的组装方式,即真丝织物反面总是优先正面形成完整的光子晶体结构,从而43第61卷㊀第5期光子晶体结构生色真丝织物的制备及应用研究导致两面结构色的反射率波动幅度有所差异㊂其中,当组装液体积浓度在0.4~1.6L /m 2时,织物正面结构色的反射率峰值明显偏低,反射率为8.966%~14.651%㊂这是因为组装液中微球的数量不足以在正面构筑完整的光子晶体结构,并不具备产生完整光子带隙的高介电常数比及长程范围内周期性拓扑特征的条件,是光子晶体特殊的缺陷态结构,格点排列的有序度低,且组装液中黑色染料还具有吸收散射光的作用,双重作用下造成反射率峰值偏低㊂当组装液体积浓度为2.4L /m 2和4.0L /m 2时,织物正反面的结构色反射率峰值几乎维持在同一水平,正反面反射率峰值分别为18%和19%左右㊂然而,在4.0L /m 2组装液体积浓度下,真丝织物上的光子晶体结构层太厚,容易脱落㊂图4㊀正反两面反射率曲线Fig.4㊀Reflectance curves of front and back sides㊀㊀综上所述,当组装液体积浓度为1.6~4.0L /m 2时,P (St-MAA )胶体微球至少可以在真丝织物的一面构筑完整的光子晶体结构,赋予织物明亮的结构色㊂其中,当组装液体积浓度为2.4L /m 2时,可得到明亮且完整的双面光子晶体结构色真丝织物㊂2.2㊀真空辅助过滤组装过程分析以制备紫红色光子晶体结构色真丝织物为例,采用数码相机记录真空辅助过滤组装的过程,如图5所示,其中此处所采用的P (St-MAA )胶体微球的粒径为295nm ㊂由图5可以看出,将组装液加入过滤杯后,由于P (St-MAA )胶体微球粒径大于过滤膜的孔径,通过大气压力推动,微球被阻挡在滤膜上,优先组装在真丝织物反面,而组装液中液体则顺利通过滤膜收集㊂在第2分31秒时,随着液体逐渐被排出,微球在真丝织物的正面和反面陆续出现光子晶体结构;在第6分53秒时,过滤区域内的真丝织物上出现完整的光子晶体结构㊂最后,将真丝织物从滤膜上剥离并烘干,得到具有双面紫红色光子晶体结构色的真丝织物㊂由上述分析可知,真空辅助过滤过程中的P (St-MAA )胶体微球以 先反后正 的方式在真丝织物上构筑光子晶体结构㊂因此,为进一步证明此过程,拍摄不同时期的光子晶体结构色真丝织物的数码照片,如图6所示,其中真丝织物正反面均为白色㊂在真空辅助过滤组装过程的第3秒,组装液体系中黑色酸性染料与胶体微球共同作用在真丝织物的正反面,真丝织物反面的部分区域出现紫红色光子晶体结构色,正面呈现黑色㊂当时间达到第30秒时,通过大气压力推动,胶体微球优先在真丝织物的反面组装成较完整的光子晶体结构,正面逐渐被胶体微球覆盖,出现明显的光子晶体结构色㊂当时间达到第6分53秒时,真丝织物的正反面均呈现均匀的紫红色光子晶体结构色㊂此外,随着时间的推移,胶体微球呈现 先反后正 的堆叠方式㊂在真空辅助过滤组装过程中,为观察P (St-MAA )胶体微球在真丝织物上的组装状态,采用FESEM 测试了不同时期下光子晶体结构色真丝织物反面的表观形貌(图7)㊂由图7可图5㊀真空辅助过滤制备紫红色光子晶体结构色真丝织物的过程Fig.5㊀Preparation process of purplish structural colored silk fabrics based on photonic crystals via vacuum-assisted filtering53Vol.61㊀No.5Study on the preparation and application of structural colored silk fabrics based on photoniccrystals图6㊀不同时期下光子晶体结构色真丝织物的数码照片Fig.6㊀Digital photos of structural colored silk fabrics basedon photonic crystals at differentperiods图7㊀不同时期下P (St-MAA )胶体微球在真丝织物反面的排列状态Fig.7㊀Arrangements of P (St-MAA )colloidal microspheres onback side of silk fabrics at different periods以看出,真丝织物中纤维间存在明显空隙,纤维表面光滑,无胶体微球㊂当真空辅助过滤组装过程进行至第3秒时,P (St-MAA )胶体微球已经开始附着在纤维表面,纤维之间仍存在较大的空隙,此时构筑的光子晶体结构不完整㊂随着抽滤过程的不断继续(第30秒~第6分53秒),P (St-MAA )胶体微球构筑的光子晶体结构逐渐排列规整,P (St-MAA )胶体微球在原有结构的基础上不断堆砌形成较厚的光子晶体结构层,纤维之间的空隙完全被微球填充,未观察到裸露的纤维㊂结果表明,P (St-MAA )胶体微球在真丝织物上构筑光子晶体结构的过程,可以从不同时间段下真丝织物上光子晶体结构色的颜色变化来体现㊂图8表示P (St-MAA )胶体微球在真丝纤维上的组装过程,可分为初始阶段㊁堆砌阶段㊁完备阶段及烘干阶段㊂由图8可以观察到,未抽滤之前,组装液中的P (St-MAA )胶体微球分散在真丝纤维周围㊂随着真空辅助过滤法的进行,一部分微球由于纤维的吸附作用覆盖在纤维上,一部分微球由于自身的静电相互作用力,会在纤维周围形成块状的 小有序体 ㊂在大气压力推动下,微球以堆砌阶段形成的光子晶体为基底,继续在纤维上构筑光子晶体结构,并逐渐填充纤维间的缝隙㊂待停止抽滤后,P (St-MAA )胶体微球停止运动,在真丝纤维上形成局部范围内有序的光子晶体结构㊂烘干后,在真丝织物上形成了一层固态的光子晶体层,得到具有结构色的真丝织物㊂2.3㊀真丝织物上光子晶体结构生色的虹彩效应分析光子晶体结构色具有典型的虹彩效应,随观察角度的改变,颜色也会发生变化[21-22]㊂为此,采用MA 98型多角度分光光度计对由223nm P (St-MAA )胶体微球制备的绿色光子晶体结构色真丝织物的虹彩效应进行定量分析,结果如图9所示,图中45axXX 表示光源角度为45ʎ,对应的观察角度为图8㊀P (St-MAA )胶体微球在真丝织物上的组装过程示意Fig.8㊀Schematic diagram of the assembly process of P (St-MAA )colloidal microspheres on silk fabrics63第61卷㊀第5期光子晶体结构生色真丝织物的制备及应用研究XXʎ㊂由图9(a )可以看出,随着光源角度和观察角度的变化,结构色真丝织物的色调由浅绿向深绿色转变,但仍处于绿色波长范围内;由图9(b )观察到,当光源角度处于45ʎ㊁观察角度从-15ʎ~45ʎ时,在此区域内呈现的颜色所对应的反射率峰值从500nm 移至530nm ,逐渐朝着可见光中长波方向移动;当光源角度处于45ʎ㊁观察角度从75ʎ向110ʎ增加时,此区域内反射率峰值落在绿色波长区域内,均位于540nm 附近;当光源角度为15ʎ㊁观察角度从-15ʎ~15ʎ时,此区域内的反射率最大反射峰值仍位于540nm 波长左右,结果与图9(a )的虹彩效应图片所呈现的色调保持一致㊂总之,利用真空辅助过滤的方式在真丝织物上获得的光子晶体结构色具有较低的虹彩效应,即颜色不会随着观察角度的变化而明显变化㊂这种色彩效果与常规染料或颜料着色效果较为接近,有望部分替代传统染料或颜料着色㊂图9㊀光子晶体结构生色真丝织物的虹彩效应图片及反射率曲线Fig.9㊀Iris effect images and reflectance curves of structural coloredsilk fabrics based on photonic crystals2.4㊀手绘法在白色真丝织物光子晶体结构生色中的应用㊀㊀分别以粒径197㊁223㊁245㊁295nm 的P (St-MAA )胶体微球为基元构成的光子晶体结构生色组装液,除了在真丝织物上构筑简单的光子晶体结构色,其图案化在应用中也扮演着重要角色㊂图10为通过手绘法在白色真丝织物制备得到的图案化光子晶体结构色,单一图案制备时间最长为10min ㊂由图10可以看出,通过有效的色彩搭配,以手绘的方式在真丝织物上制作出单色㊁双色㊁多色的光子晶体结构色图案㊂因此,利用配制的组装液可以在真丝织物上获得多色彩㊁多样化的图案,这极大地拓宽了光子晶体结构色的应用范围㊂图10㊀图案化光子晶体结构色真丝织物的数码照片Fig.10㊀Digital photos of patterned structural colored silkfabrics based on photonic crystals3㊀结㊀论本文通过真空辅助过滤法和手绘法在白色真丝织物上构筑光子晶体生色结构,实现真丝织物的着色㊂分析了不同组装液体积浓度下光子晶体结构色的呈现效果,研究了真丝织物上光子晶体结构色的虹彩效果,探讨了P (St-MAA )胶体微球在真空辅助过滤法中的组装过程,考察了手绘法在真丝织物光子晶体结构生色中的应用效果㊂主要结论如下:1)真空辅助过滤法中,当组装液体积浓度为2.4L /m 2时,223nm P (St-MAA )胶体微球在真丝织物的两面能同时构筑出结构色较为明亮的光子晶体,此时结构色真丝织物正反面的反射率峰值约为18%,即实现真丝织物的双面着色㊂2)对比不同时期下的295nm P (St-MAA )胶体微球在真丝织物上的排列情况,发现微球优先在真丝织物的反面构筑光子晶体结构,即P (St-MAA )胶体微球的组装过程是 先反后正 进行的㊂3)利用真空辅助过滤的方式在真丝织物上构筑的光子晶体结构,可得到具有低虹彩效应的结构色,与常规染料或颜料着色效果较为接近,有望部分替代传统染料或颜料着色㊂4)通过手绘的方式,分别以粒径197㊁223㊁245㊁295nm 的P (St-MAA )胶体微球组装液为结构生色颜料,可以在真丝织物上制备单色㊁双色㊁多色的图案化光子晶体结构色,从而实现了结构色的个性化加工㊂73Vol.61㊀No.5Study on the preparation and application of structural colored silk fabrics based on photoniccrystals‘丝绸“官网下载㊀中国知网下载参考文献:[1]ZHAO X Y,GAO W H,YANG S,et al.From silica colloidalparticles to photonic crystals:Progress in fabrication and application of structurally colored materials[J].Textile Research Journal,2023, 93(11/12):2877-2893.[2]ZHU K M,FANG C Q,PU M Y,et al.Recent advances inphotonic crystal with unique 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crystals[J].Physical Review E,2001,63(5):056603.83第61卷㊀第5期光子晶体结构生色真丝织物的制备及应用研究Study on the preparation and application of structural colored silk fabrics based on photonic crystals XIANG Jiaojiao1MA Wanbin1JIN Mengting1ZHANG Yunxiao1ZHOU Lan13SHAO Jianzhong1LIU Guojin1CHAI Liqin121.College of Textile Science and Engineering International Institute of Silk Zhejiang Sci-Tech University Hangzhou310018China2.Zibo Daranfang Silk Group Co.Ltd.Zibo255300China3.Zhejiang Provincial Innovation Centerof Advanced Textile Technology Shaoxing312000ChinaAbstract The photonic crystal structure can produce vivid and bright colors by interacting with light in interference diffraction and scattering with its own physical pared with traditional chemical dyeing structural colors haveenormous potential application value in the field of textile coloring because of their bright luster and environmentalfriendliness.Numerous studies show that self-assembly of colloidal microspheres on the surface of textiles to constructphotonic crystal structures to generate structural colors is an effective method for preparing structural color textilesespecially represented by impregnation methods such as gravity deposition and vertical deposition.However theimpregnation method has disadvantages of low efficiency and high energy consumption which limits its promotion andapplication.Therefore it is urgent to develop preparation technology with high preparation efficiency and low equipmentrequirements.In addition to the preparation technology the performance of textile substrates is also an important factoraffecting the development of structural colors based on photonic crystals.Numerous studies have found that the backgroundcolor of the substrate has a significant impact on the brightness of the structural colors of photonic crystals.It isunanimously found that a black background is most conducive to constructing photonic crystals with bright structural colorswhile photonic crystals constructed on a white background have the darkest structural colors.At present the most commonpractice is to first dye the textile substrate with black materials and then the treated textile is used as the substrate toconstruct photonic crystals.Pre-coloring not only increases the preparation process but also consumes energy and time.Itis a hot research topic to obtain bright structural colors based photonic crystals quickly and efficiently on white textilesubstrates.Vacuum-assisted filtration is a method that utilizes the negative pressure generated during vacuum pumping toachieve solid-liquid separation.It has the advantages of simple operation high preparation efficiency and simpleequipment.Based on this if the colloidal microsphere dispersion is treated as filtrate the process of colloidal microspherestacking to form photonic crystals happens to be the process of microsphere loading on the textile substrate.This provides apossibility for constructing photonic crystal color structures on textile substrate via vacuum-assisted filtration method.To construct structural colors based on photonic crystals on white silk fabrics the article used poly methyl methacrylate P St-MAA colloidal microspheres as the basic building blocks of the photonic crystal structure and astructural color generation assembly solution was prepared by adapting acidic black dyes then the vacuum-assisted filtrationand hand drawing methods were respectively proposed to achieve the color generation of photonic crystal structures on whitesilk fabrics.First the influence of the dosage of microsphere assembly solution on the structural coloration in the vacuum-assisted filtration process was investigated.The motion mechanism of microsphere forming photonic crystals on silk fabricsunder vacuum-assisted filtration conditions was explored.Afterwards the rainbow effect of photonic crystal structure oncolored silk fabrics was discussed.Finally in order to achieve patterned color generation of photonic crystal structures onsilk fabrics the application effect of the hand drawing method in color generation of photonic crystal structures on silkfabrics was studied.The characteristics of black color absorbing transmitted and scattered light outside the photonic bandgapcan enhance the color saturation of photonic crystal structural colors.This paper used acidic black dyes as absorbingmaterials and mixed them with P St-MAA colloidal microspheres to form a structural color assembly solution.Thephotonic crystal color structure was constructed on white silk fabrics by using vacuum-assisted filtration and hand drawingmethods to achieve the coloring of silk fabrics.The results show that in the vacuum-assisted filtration process when thedosage of assembly solution is2.4L/m2223nm P St-MAA colloidal microspheres can simultaneously constructphotonic crystals with brighter structural colors on both sides of the silk fabric.At this time the peak reflectivity of thefront and back sides of the structural colored silk fabric is about18%suggesting double-sided coloring of the silk fabric isachieved.By comparing the arrangement of295nm P St-MAA colloidal microspheres on the silk fabric at different timesit is found that the microspheres preferentially construct photonic crystal structures on the opposite side of the silk fabricmeaning that the assembly process of P St-MAA colloidal microspheres is reverse first and then forward .The photoniccrystal structure constructed on the silk fabric via vacuum-assisted filtration can obtain structural colors with low iridescenteffect which is similar to the coloring effect of conventional dyes or pigments and is expected to partially replacetraditional dyes or pigments in coloring.By hand drawing P St-MAA colloidal microsphere assembly solutions withparticle sizes of197nm 223nm 245nm and295nm are used as structural colorants to prepare patterned photonic crystalstructural colors of monochrome bicolor and multi-color on the silk fabric achieving personalized processing of structuralcolors.The vacuum-assisted filtration method and hand drawing method provide new ways for the rapid preparation of structural colored textiles based on photonic crystals.The results of this study will contribute to providing a practical basisfor the application of photonic crystal structure coloring in textile coloring.Key words silk fabric photonic crystals structural coloring vacuum-assisted filtration method hand drawing method93。
光子晶体自组装结构色
光子晶体自组装结构色English:## Photonic Crystal Self-Assembly for Structural Color.Photonic crystals (PCs) are periodic structures that can control the propagation of electromagnetic waves. They have been widely used in various applications, such as optical filters, lasers, and solar cells. One of the most promising applications of PCs is in the field of structural color, where they can be used to create vibrant and durable colors without the use of pigments or dyes.Self-assembly is a powerful technique that can be used to fabricate PCs with complex and precise structures. In self-assembly, individual components spontaneously organize into a well-defined structure without the need for external guidance or templates. This approach has several advantages over traditional fabrication methods, such as lithography, etching, and deposition, including lower cost, higherthroughput, and the ability to create structures with sub-wavelength features.There are several different methods for self-assembling PCs. One common method is to use colloidal particles. Colloidal particles are small particles that are dispersed in a liquid. When the particles are close enough to each other, they can interact with each other and self-assemble into a PC structure. The size, shape, and material of the colloidal particles can be controlled to tune the optical properties of the PC.Another method for self-assembling PCs is to use block copolymers. Block copolymers are polymers that consist of two or more different types of monomers. When the block copolymers are heated, they can self-assemble into avariety of different structures, including PCs. The structure of the PC is determined by the composition and molecular weight of the block copolymers.Self-assembled PCs have been used to create a variety of different structural colors. For example, researchershave created PCs that mimic the colors of butterfly wings, peacock feathers, and abalone shells. These colors are created by the interaction of light with the periodic structure of the PC. The wavelength of the light that is reflected from the PC is determined by the spacing of the PC's features.Self-assembled PCs are a promising technology for a variety of applications, including displays, sensors, and anti-counterfeiting. They offer a number of advantages over traditional fabrication methods, including lower cost, higher throughput, and the ability to create structures with sub-wavelength features.Chinese:## 光子晶体自组装结构色。
光子晶体的色散与色相调控
光子晶体的色散与色相调控光子晶体，是一种具有周期性折射率的材料结构。
这种材料的独特特性使得它在光学应用领域有着广泛的应用。
其中，色散与色相调控是光子晶体最引人注目的特性之一。
本文将探讨光子晶体的色散特性及其在色相调控领域的应用。
在传统材料中，色散是指光的折射率随波长的变化关系。
不同波长的光在经过该材料时，会以不同的角度折射或反射。
而光子晶体中，周期性的折射率变化使得光的传播特性更加复杂。
光在光子晶体中的传播方式是借助于光子带隙，即材料中电子带结构与光子能量之间的禁带区。
这个禁带区决定了光子晶体中不同波长的光是否能传播。
当光的波长与禁带区内的能带结构匹配时，光被光子晶体完全反射，从而产生了色散。
光子晶体的色散特性源于其结构的周期性。
光子晶体通常由具有高折射率的固体球体或柱体等周期性排列而成。
在光穿过光子晶体时，由于光子带隙的存在，光的波长会受到限制，从而导致色散效应的产生。
色散效应表现为不同波长的光以不同的角度从晶体表面反射出来，产生美丽的光谱效果。
色散对于光学应用来说具有重要的作用。
首先，色散效应是光学仪器用于分离不同波长光的基础。
例如，在光谱仪中，通过采用光子晶体的色散特性，可以将入射光按照不同波长分成不同的光束，从而实现光的分析和测量。
其次，色散特性也可以用于色相调控，即通过控制光波长与光子带隙的匹配程度来改变光的色相。
这一特性在显示技术中有着重要的应用。
光子晶体的色相调控在显示技术中有着广泛的应用。
传统的液晶显示器是通过控制液晶分子的取向来调节光的透射性质。
而采用光子晶体的色相调控技术可以通过调整光子带隙的波长来改变反射光的颜色。
这种技术可以实现更加鲜艳的色彩效果，并具有更高的亮度和对比度。
此外，由于光子晶体的色彩效果是来自于材料本身的结构，而不是依赖于外部光源，因此具有极高的自发光亮度。
然而，在实际应用中，光子晶体的色相调控还面临一些挑战。
其中一个主要的问题是如何实现动态调控。
目前，大部分光子晶体的色相调控是基于固定结构的设备。
三维磁性光子晶体的研究进展探讨
三维磁性光子晶体的研究进展探讨磁性光子晶体指的就是将磁性引入到光子晶体之中。
光子晶体是一种人工的微结构，是由介电材料周期性排列形成的。
在周期性介电结构中，光进行传播的时候和电子在其中传播的时候比较相似。
介电常数增大到与光波长相等的时候，介质的布拉格散射就会出现一些带隙，俗称光子带隙。
光子在这种带隙的区域内的传播是被严格的控制的，在宏观的角度上出现反射率比较大而透射率比较小的情况。
磁性光子晶体就是在晶体的基础上具有磁性，能够衍生出更多的性质，衍生的新性质在多个领域中具有很大的应用价值，比如环形器、光信息存储、隔离器等。
1. 三维磁性光子晶体结构磁性光子晶体根据结构的不同大致可以分为三种，分别为一维磁性光子晶体、二维磁性光子晶体和三维磁性光子晶体。
三维磁性光子晶体的结构更加的复杂，制造工艺和流程的要求比较严格，目前的三维磁性光子晶体结构主要有四种：分别为蛋白石结构、反蛋白石结构、磁性核壳结构、仿生结构等。
1.1蛋白石结构蛋白石结构的组成一般为亚微米或者微米，组成排列的形状是六角最密堆积自组装而成。
微球材质中一般都含有二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等物质，其中微球的制备方法因为材质的不同而有所差别，二氧化硅微球的制作方法一般是通过Stber法，聚丙乙烯微球的制作方法一般是无皂乳液聚合法。
微球自组装蛋白石结构的光子晶体方法比较多，目前我们实际中应用比较多的就是提拉法和垂直沉积法。
垂直沉积法是在微球的分散液中插入玻璃基底，溶液都会产生蒸发的作用，在毛细力的作用下，微球会在基底的表面形成六角密堆积排列；提拉法是将基底利用机械臂保持一定速度的上提，从而能够有效地控制基底的生长厚度。
1.2反蛋白石结构反蛋白石结构是在蛋白石结构的基础上进行一系列的加工得到的。
蛋白石结构中微球和微球之间都会产生空隙，反蛋白石结构就是将介电材料添加在这些的孔隙之中，导致原来的微球被剔除，从而产生剩余孔隙填充物的结构。
其中对于填充物的选择种类比较多，可以选择金属氧化物，碳、硅等非金属单质，金属或者有机高分子材料等。
光子晶体和光子晶体结构
光子晶体和光子晶体结构光子晶体是一种具有周期性层状结构的材料，其特点是能够控制光波的传播和调制。
光子晶体的研究和应用在光学、电子、通信等领域有着广泛的应用前景。
光子晶体结构的形成是通过改变材料中介质折射率的分布而实现的。
光子晶体的基本单元是具有不同折射率的周期性结构，每个单元的尺寸一般在光波的波长范围内。
通过改变周期性结构的尺寸和形状，可以调控光的传播速度、频率和波长选择性。
光子晶体能够形成光子带隙，使光波在特定频率范围内被禁止传播，这种特性使得光子晶体在光学器件设计和光学信号处理中具有重要的作用。
在光子晶体的研究中，最常见的结构包括一维、二维和三维的光子晶体。
一维光子晶体是由多个介质层交替叠加而成，如Fabry-Perot腔、DBR腔等，可用于制备窄带滤波器和调制器。
二维光子晶体是由周期性排列的柱状或球状结构组成，可用于制备光学波导、微透镜和分光器。
三维光子晶体具有更复杂的结构，可以形成全息拓扑结构，制备出具有高度对称性和复杂功能的光学器件。
光子晶体的制备通常采用自组装、光刻、溶胶凝胶法等方法。
其中，自组装是一种常用的方法，通过微流控技术和界面控制来实现光子晶体的组装。
自组装方法可以制备出具有高度有序结构和周期性的光子晶体，并且具有较高的可扩展性和可控性。
光子晶体的应用涵盖了众多领域。
在光学传感方面，光子晶体可以通过改变环境折射率来实现对光波传播的调控，从而实现对环境中物质浓度、温度和压力等参数的检测。
在光学通信中，通过光子晶体的结构设计和调控，可以实现高效率的光信号传输和调制，提高通信系统的性能。
此外，光子晶体还可以应用于光子计算、光子集成电路、太阳能电池和光子器件等领域。
光子晶体的研究还面临着一些挑战。
首先，光子晶体的制备技术需要进一步发展，提高自组装方法的可控性和稳定性。
其次，光子晶体的性能和应用还需要深入研究，特别是在高温、高压和强光照射等复杂环境下的应用。
最后，光子晶体在制备成本和规模化生产方面还存在一定的限制，需要寻找更加经济和可行的制备方法。
光子晶体介电材料的结构和性质分析
光子晶体介电材料的结构和性质分析光子晶体是一种新兴的介电材料，其独特的光学性质和多样的结构形态使其在光学、电子学、热学等领域具有重要应用前景。
本文将探讨光子晶体介电材料的结构和性质分析。
一、光子晶体介电材料的结构形态光子晶体的结构可分为三类：一维光子晶体，二维光子晶体和三维光子晶体。
其中，一维光子晶体是由具有不同介电常数的多层介质构成的，呈现出周期性的反射带结构。
二维光子晶体是由哑铃形或圆形的微球堆积而成。
在这些微球的排列中，将实现完美的布拉格衍射，在可见光范围内呈现出色彩斑斓的结构色。
三维光子晶体是由周期性的微观结构构成的，例如体心立方、面心立方等。
其结构可通过光学技术、模板法等方式精确控制，并且可以调控光学性能，适应不同的应用场合。
二、光子晶体介电材料的光学性质由于光子晶体的周期性结构，它具有一些特殊的光学效应，如布拉格衍射和光子禁带。
其中，光子禁带是指某一波长范围内电磁波在光子晶体中被完全反射或传播受限，在这一区域内不存在光波传播，使得材料具有低透过率或高反射率。
光子晶体由于包含周期性的介质结构，其光学性质随着横向尺寸和填充物的变化而产生各种差异。
因此，光子晶体在宽带光源、光子传感、高效光电控制等领域具有广泛的应用前景。
三、光子晶体介电材料的电子性质光子晶体的电学性质同样值得注意。
在一些特殊的光子晶体中，存在电学相位调制效应，可由输入电场控制光子晶体的禁带宽度与中心波长，实现信号的调制和开关。
同时，光子晶体也可用于新型的能源转换器件中，如太阳能电池、光催化、热契合器等。
四、光子晶体介电材料的热学性质光子晶体中的光学禁带与热导率密切相关。
一些特定的光子晶体，如掺杂硅和高熵合金等，其热导率呈现负面值，这种负热导现象存在于光子晶体禁带附近。
利用这一现象，可以提高热电转换效率，制备高效的热电器件。
五、总结光子晶体介电材料是具有重要应用前景的新型材料。
对于其结构和性质的深入分析，有助于探索其更广泛的应用。
光子晶体材料的性质及其应用
光子晶体材料的性质及其应用随着科技不断进步发展，材料领域也不断涌现各种新材料。
其中，光子晶体材料引起了广泛的关注和研究。
它是一种由周期性的折射率变化构成的材料，具有许多优异的性质和应用。
本文将介绍光子晶体材料的性质及其应用。
一、光子晶体材料的基本结构和性质1.基本结构光子晶体材料的基本结构是周期性的空气和介质的层状结构。
其中，空气具有比介质更低的折射率，二者交替排列，形成了周期性的光子带隙。
这些光子带隙可以阻挡光子的传播，从而实现光子晶体材料的各种奇妙性质。
2.折射率光子晶体材料具有非常稳定的光学性质，其折射率可以在很大程度上进行调控。
这是由于光子晶体材料的周期性结构，经过一定处理后，可以使折射率发生变化，从而实现对光子的控制和调控。
3.光子带隙光子晶体材料的周期性结构可以阻挡特定波长范围光子的传播，这被称为光子带隙。
这些光子带隙的大小和位置可以随着光子晶体材料结构的改变而变化，这使得光子晶体材料在各种领域的应用具有非常广泛的前景。
二、光子晶体材料的应用1.传感器光子晶体材料的周期性结构可以被用作各种各样的传感器。
由于光子晶体材料的折射率可以随着外部环境的改变而发生变化，因此可以对光子晶体材料进行不同的处理和改变结构，使得它对物理、化学和环境参数等的敏感度得到很好的控制。
这为制造高灵敏传感器提供了一个有效的途径。
2.光子晶体激光光子晶体材料由于具有宽禁带隙和高折射率差，因此具有开发新型微型激光器的潜力。
与传统激光器相比，光子晶体激光器具有更小的模式体积和更好的束缚能力。
这些优点使得光子晶体激光器在各个领域都有广泛的应用。
3.光子晶体光学波导光子晶体材料的周期性结构使得它可以被用作光束引导器和光学开关。
在光学通信和数据存储中，光子晶体光学波导被广泛应用。
它具有低损耗、高质量因子和可控制的传送特性等优越性能。
4.光子晶体滤波器光子晶体材料还可以用作高效的光滤波器和光谱分析器。
光子晶体材料的周期性结构使得它能够精细控制光的传播和反射，从而实现了很好的滤波效果。
光子晶体的研究新进展及应用
收稿日期:2006-01-20.动态综述光子晶体的研究新进展及应用邹丽娜1,郑咏梅1,2,施宏艳1,申铉国1(1.吉林大学物理学院,吉林长春130023;2.中国科学院化学研究所,北京100080)摘 要: 光子晶体具有调节光子运动状态的特性,在光通信、医学和国防科技等领域具有非常广阔的应用前景。
简要介绍了光子晶体的主要特征及制备方法,总结了基于光子晶体的光纤,激光器,滤波器和集成光路的工作机理和最新研究成果。
关键词: 光子晶体;光子禁带;周期性结构;介电常数中图分类号:TB383 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2006)03-0231-05R ecent Progress and Application of Photonic CrystalZOU Li 2na 1,ZH EN G Y ong 2mei 1,2,SH I Hong 2yan 1,SH EN Xuan 2guo 1(1.College of Physics ,Jilin U niversity ,Changchun 130022,CHN;2.I nstitute of Chemistry ,Chinese Academy of Sciences ,B eijing 100080,CHN )Abstract : Photonic crystal has t he extensive applications in optical communication ,medicine ,national defense science and ot her fields because of t heir peculiar properties in cont rolling p hoto nic propagation.The characteristics and fabrication met hods of p hotonic crystals are reviewed.The operation p rinciples and latest develop ment s of t he optical fiber ,laser ,filter and integrated optical circuit based on p hotonic crystal are p roposed.K ey w ords : p hotonic crystal ;p hotonic bandgap ;periodical st ruct ure ;permittivity constant1 引言当电子和微电子技术走向极限时,科学家提出了以光子代替电子作为信息载体的设想。
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张心亚研究员
2020.9
01
：传统颜填料的介绍
传统颜填料在自然使用过程中存在易迁移、易氧化、易褪色等；
传统颜填料的生产制备和印染过程中制造大量的、含高重金属
离子的、难以降解的废水；
随着国家环保政策的收紧以及消费者环保意识的觉醒，传统颜填料正在失去市场。
褪色
02:光子晶体的介绍
自然界大多数动物都拥有绚丽的外观，研究表明这些颜色并不是化学色素或者染料，而都是基于微纳结构的物理光子晶体结构色。
光子晶体由S.John 于1987 提出：主要是指折射率不同的介质周期性排列形成的光学结构。
02:光子晶体的介绍
光子晶体从视觉上可分为角度依赖型光子晶体和无角度依赖型光子晶体
长程有序结构角度依赖性短程有序结构无角度依赖变色鱼
鹦鹉
02:
光子晶体的介绍
一维二维三维
光子晶体结构色从空间构造上分为一维、二维、三维光子晶体。
一维二维三维
光子晶体结构色的原理：基于大面积、高度有序的周期性微纳结构与太阳光的物理折射、反射及衍射作用，使得反射波长落在可见光范围，即结构色。
光子晶体结构色的优点：安全，环保，色彩丰富，颜色更持久。
02:光子晶体的介绍
03:光子晶体的潜在应用
Wang, F.; Zhang, X ，etc.ACS Appl. Mater. Interfaces . 2016, 8(7), 5009–5016. Kim, S.; Hwang, V ，etc. Small,2019, 1900931
(1)、作为颜填料制备涂层
03:光子晶体的潜在应用
•Zhao, T.; Zhang, S.; Guo, Y
.; Wang, Q. Nanoscale 2016, 8 (1), 233–242.
(2)、光子晶体作为温度响应的防伪标识
03:光子晶体的潜在应用
(3)、光子晶体阵列作为湿度响应的防伪标识
•Du, X.; Wang, J，etc.ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9 (43), 38117–38124.
03:光子晶体的潜在应用
(4)、光子晶体阵列制备艺术油画
•Flauraud, V.; Reyes, M.; ACS Photonics 2017, 4 (8), 1913–1919.
•Ito, M. M.; Gibbons, Sivaniah, E. S，Nature 2019, 570 (7761), 363–367.
04:光子晶体的制备
基于光子晶体结构色的优点，我们制备了类似opal 蛋白石结构的光子晶体结构色。
特别注意：将还原氧化石墨烯引入来解决光子晶体膜的开裂和饱和度差等问题。
•Song, Liujun.; Chen, Xiaofei.; Zhang, Xinya. Dyes and Pigments 2019, 164, 222–226.
04:光子晶体结构色的制备
光子晶体结构色制备示意图无角度依赖光子晶体结构色实物图
04:光子晶体结构色的制备
光子晶体全光谱分析及研磨后的光子晶体颜填料
纯PS微球薄膜的SEM图像
由GO辅助PS微球不同放大倍数下的SEM图像04:光子晶体结构色的制备
GO辅助成膜后裂纹消失、角度依赖减小、形成了大面积短程有序的光子晶体薄膜
研磨之后的光子晶体颜填料及其内部微观结构
04:光子晶体结构色的制备
05:光子晶体结构色的机械性能的提升
为了提升光子晶体的机械性能和耐擦洗性能，受贻贝的启发利用聚多巴胺和壳聚糖制备了高粘附性能、高饱和度、高附着力的光子晶体结构色薄膜
•Liang, Qianmin; Song, Liujun; Zhang, Xinya. J Mater Sci.2020, 55 (6), 2353–2364.
05:光子晶体结构色的机械性能的提升
宏观照片和扫面电镜表明聚多巴胺和壳聚糖的加入解决了裂纹的问题
05:光子晶体结构色的机械性能的提升
折叠和擦洗实验都证明了制备的光子晶体薄膜具有良好的附着力和机械稳定性
05:光子晶体结构色的机械性能的提升
为了证明改性后光子晶体膜的附着力，拉拔测试显示对不同基材有着良好的附着性能
PVC:0.74 Mpa
Glass: 2.42 MPa
Steel: 3.63 MPa
Tile: 4.13 MPa
图案化光子晶体膜
05:光子晶体结构色的机械性能的提升
为了提高涂层的自清洁性能，利用PDMS改性光子晶体结构色涂层，达到超疏水性能
0%1%2%
3%4%接触角测试PDMS含量的影响
06:响应性光子晶体结构色制备
为了制备响应性光子晶体膜，合成了基于亚胺可逆动态共价键的交联型树脂，特点在于树脂环保，可酸降解回收重复使用
亚胺可逆动态共价键树脂合成路线亚胺树脂酸降解机理
•Mo, Ruibing; Song, Liujun; Hu, Jing; Sheng, Xinxin.; Zhang, Xinya. Polym. Chem. 2020, 11 (5), 974–981.
06:响应性光子晶体结构色制备
响应型光子晶体结构色对不同溶剂的颜色响应
07:总结
光子晶体结构色具有绿色环保、无毒无害、色彩丰富、饱和度高、结构稳定等优点，是代替传统颜填料的不二之选，在印刷、显示，防伪、军工等领域有着巨大的潜在应用；
改性和精细调节来制备智能温度/湿度响应型的光子晶体结构色是发展的一大主流方向，其未来在可穿戴设备、智能伪装功能性服饰等领域大有可为；
可自修复型光子晶体结构色可以将在原有优点之上，大大延长光子晶体结构色膜的使用寿命，降低成本、吸引消费者，将在汽车涂装、家装等领域广泛应用。