Advanced Materials:瓶刷形聚合物创造出结构性色彩的彩虹

研究人员开创了一种新颖而简便的制备瓶刷聚合物微粒的方法,并利用这些聚合物微粒产生鲜艳颜色。

你是否好奇过孔雀羽毛为何闪耀着绚丽的色彩?这种色彩的来源不是染料或颜料,它们属于「结构色」。结构色是由材料表面的周期性微观结构反射光线而产生颜色。相比于色素,结构色更加鲜艳、耐用、环保。

剑桥大学的Silvia Vignolini教授对结构色有精炼的总结:「结构色是自然界中许多鲜艳色彩的成因。从大闪蝶充满金属光泽的鳞翅,到孔雀的艳丽的尾羽,这些强烈的色彩并不是由光的吸收产生的,而是来自于精细纳米级结构对光线的反射。

例如,孔雀羽毛中含有棕色色素,但其表面的微结构会反射特定波长的光,因此由于观看者角度的不同而呈现出蓝色、绿松石色或绿色。

由Vignolini和Richard Parker博士等科学家试图用结构色来解决生产制造中的某些长期挑战。例如,寻找到一种可持续、无毒的着色方法,以取代许多有毒染料,避免染料生产过程中有毒物质的排放。

对于研究组发表在Advanced Materials上的这篇工作(原文信息附后),Vignolini解释说:「我们报道了一种简单、可扩展的新型颜料生产路线,该颜料具有结构色,可替代油漆中的着色剂或用于被动显示器(passive displays)。

当下材料科学家们正不遗余力地开发基于结构色的「光子材料」,这些材料通过自身与光的可控相互作用而产生颜色。然而,光子材料的广泛应用仍需时日。

Vignolini表示:虽然能产生鲜艳色彩的光子材料已得到了广泛研究,但它们通常都基于长程有序的纳米结构系统。

长程有序是指材料表面纳米结构在比微观更大尺度上展示出的特定间隔的有序性。尽管长程有序材料容易制造,但它们的结构导致了一个问题:这些材料自然地呈现出虹彩(彩虹的斑斓色彩)。这意味着它们的颜色会随着视角或照明角度的变化而改变(类似肥皂泡或水上的油膜)。虹彩使得利用这些材料显出的颜色难以被调控。

Vignolini补充说:要生产非虹彩的光子材料,必须确保其结构只存在短程(纳米级)有序性。但是,合成短程有序性材料依赖于精确控制所合成对象的无序程度,因此难以进行实现可重复、可规模化的=生产。

在发表在Advanced Materials上的这项研究中,Vignolini及其同事通过引入一种全新的便捷方式来生产具有纳米结构的微粒,并精确控制其尺寸以实现短程有序,成功应对了短程有序纳米材料的合成挑战。Vignolini强调:”这么多的艳丽颜色均是由单一的聚合物刷产生的。这些聚合物刷的合成没有复杂的步骤。

产生蓝色、绿色和红色结构色的光子材料水分散液

该研究团队的方法是基于一种单一的、可规模化生产的自组装嵌段共聚物材料。这些聚合物呈瓶刷形,被称为「瓶刷形聚合物」或「聚合物刷」。Vignolini表示:嵌段共聚物已被证明可自组装成多种结构,然而这些结构的尺寸通常小到无法产生结构色的结构。通过使用刚性聚合物刷,我们成功将这这些结构的尺寸提高到了能与可见光相互作用的大小。

首先,研究者们将这些聚合物溶解在微米大小的甲苯液滴中,然后将水可控地扩散到这些甲苯滴中。 然后通过聚合物刷将甲苯-水结构稳定。聚合物刷的作用类似于巨型肥皂分子。Vignolini说。

聚合物刷在甲苯-水混合液中会形成胶束。胶束呈球状,聚合物中亲水的部分向内朝向水,非极性的亲油部分向外朝向甲苯。因此,许多聚合物刷便形成一个聚合物涂层,将甲苯中的水滴包裹起来。

Vignolini说:随着甲苯逐渐挥发,被聚合物包裹、尺寸相当的水滴便紧密地堆积在一起。最终水蒸发完毕,形成了由聚合物刷组成的薄壁多孔颗粒。

这项技术使纳米尺寸上组装聚合物成为可能。极为关键的一点是形成大小相似、间隔有序的孔结构,并借由液滴的变形性而产生一定程度的长程无序性。Vignolini说,正是这些孔之间的短程有序和整个颗粒长程无序的结合,才造就了这些微粒的独特光学特性。

研究人员发现,只要改变引入甲苯中的水量,他们可以将结构色从红色调为绿色、蓝色。Vignolini补充说:这是因为通过控制引入甲苯液滴的水量,我们可以控制水滴的大小, 从而可改变聚合物刷堆积出的孔径。

她还表示,该合成流程无需借助液滴界进行组装调控,因此具有对结构缺陷的容忍度高、制造时间快、色彩不依赖于带个微粒的优点。此外,使用同一种聚合物刷就可以产生多种鲜艳的色彩,从而避免了合成多种材料。

Vignolini说:将这项技术转化为工业应用的最大障碍是合成聚合物刷。目前合成工作尚需依赖于昂贵的催化剂和精确的化学合成。随着当下备受关注境中的微塑料问题,我们还需考虑聚合物刷的降解途径。因此,研究团队考虑未来将用对环境友好的生物聚合物为原料,并研发出可大规模生产的绿色合成途径。

论文信息:

Angular‐Independent Photonic Pigments via the Controlled Micellization of Amphiphilic Bottlebrush Block Copolymers

Tianheng H. Zhao, Gianni Jacucci, Xi Chen, Dong‐Po Song*, Silvia Vignolini*, Richard M. Parker*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202002681

本文翻译自Advanced Science News网站,原文标题为Bottlebrush polymers create a rainbow of structural colors,作者为Ulrike Kauscher Pinto。

译者:潘奕辰,天津大学化工学院硕士研究生。