从煮牛奶获得的创新灵感

记南工大高质量大面积全色系光子晶体膜组装技术

　　自然界中许多生物体表面具有绚丽的结构色彩及表面彩虹现象，其实质在于其内部周期性有序结构，具有这种结构的材料又被称为光子晶体。近日，南京工业大学陈苏教授团队受煮牛奶启发获得的一种胶体光子晶体成膜新方法，可望在无染料彩色印刷、防伪、LED背光源增亮膜、3D打印彩色墨水等行业获得应用。这一师法自然，以自组装为手段构筑人造有序结构光子晶体的成果发表在国际材料顶级期刊上。

　　在师法自然组装有序微结构材料过程中，会受到诸多因素影响，如粒子间的弱组装力、液滴的不对称挥发、界面浸润性等，致使光子晶体膜易于产生“咖啡环效应”(当一滴咖啡滴落到桌面后会在桌面上留下一个暗环，由于咖啡颗粒不均匀沉积，环状物边缘部分的颜色比中间区域深得多的现象)及开裂现象，这严重阻碍了高质量大面积胶体光子晶体膜的构筑，成为该领域极富挑战的课题之一。

　　“我们受到牛奶加热表面会产生一层均匀的牛奶皮的启发，通过对液滴组成以及成膜条件的精确控制，调节挥发过程，巧妙地在胶体粒子组装过程中引入一层‘胶体皮’，很好地解决了由于非均相体系不均匀挥发导致的‘咖啡环效应’，得到均匀的沉积物。”课题组王彩凤博士介绍说，在液体挥发过程中，这种“胶体皮”浮在液体表面，减弱外向毛细流动，调节液体表面的蒸发通量，有效抑制了普遍存在的阻碍胶体均匀沉积的“咖啡环效”应，使在不同浸润性基底上都能轻易实现致密聚合物胶体膜的制备。

　　“更有趣的是，‘胶体皮’的形成具有可控性和多样性：通过调节干燥条件可以很好地调节‘胶体皮’的大小和范围。”王彩凤表示，基于此，研究团队实现了不同基底上多尺度的均匀沉积，既可以实现结构色的全色系打印，又可以借助辊涂、喷涂手段分别可实施结构色的大面积涂覆与胶体粒子的大面积组装。例如，他们制备了三种不同粒径的胶体粒子作为印刷墨水，通过简单的喷涂法，构筑了全光谱光子晶体结构色，印刷图案可以在几秒钟轻易实现，同时具有均一的形貌、丰富的全色谱可调的结构色，以及不依赖于角度的光谱特征。他们还借助辊涂手段制备了出90×70cm的胶体光子晶体膜，并将这种膜应用到LED技术中，通过减少光损耗，提高发光效率，从而实现LED背光源显示器的增亮。

　　该研究成果不仅解决了结构色应用于全色谱打印的难题，并且实现了近乎一致的大面积光子响应，得到业界高度评价。成果提升了对光子晶体自组装规律的认知水平，也拓展与丰富了多维功能材料组装的制备手段。对光子晶体材料产业化应用具有重要的现实意义，以其为基础开发的胶体光子晶体膜材料在无染料彩色印刷、3D打印彩色墨水、防伪、LED背光源增亮膜等行业都有望获得应用。