天津大学宋东坡等《AM》：嵌段共聚物刷自组装制备非角度依赖的光子颜料

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2020-10-23 10:40

正文

具有非角度依赖性结构色的光子材料能够提供宽泛的可视角度，在绘画颜料、化妆品、织物以及显示设备等方面都存在着巨大的应用前景。然而，这类材料的结构通常要求具有非长程相关的各向同性，在制备工艺上存在着巨大的难度。

针对这一挑战，天津大学的宋东坡和剑桥大学的Silvia Vignolini、Richard M. Parker等人基于两亲性刷形嵌段共聚物发展了一种可规模化的单步制备策略，可以合成具有短程有序且各向同性结构的多孔微球。在这一策略中，研究人员利用剪切力控制光学结构生长的有效方法，从而成功制备了具有结构色的多孔微球（光子颜料）。与一般的晶体颜料相比，该工作开发的新型光子颜料无需折射率匹配或者宽谱吸收剂就可以显著削弱虹彩现象（从而拓宽可视角度）并提高色彩纯度，在汽车漆料、显示设备涂层等领域上显示出潜在应用价值。相关工作以“Angular-Independent Photonic Pigments via the Controlled Micellization of Amphiphilic Bottlebrush Block Copolymers”为题发表在Advanced Materials。

微球的制备和表征

在这项研究中，刷形嵌段共聚物P(PSNB)-b-P(PEO-NB)作为“表面活性剂”被溶于甲苯中，并在水中进行乳化。在甲苯挥发的过程中，大量的水滴会进入甲苯液滴内部，逐渐形成内部尺寸与可见光波长相当的液滴。这些纳米尺度的液滴最终会形成紧密堆叠的自组装体，并在剪切力作用夏形成短程有序的多孔微球。由于纳米液滴的尺寸与可见光波长相当，可使组装形成的多孔微球表现出结构色性能。而通过改变液滴的尺寸，反射颜色则可以在蓝色到红色之间进行变化。与一般晶体颜料（具有有序光子晶体结构）的颜色反射具有强烈的定向特点不同，这一微球的结构色现象来源于微球内部短程有序结构的相干散射，因此能够在微球的整个横截面观察到反射颜色。

图1 刷形嵌段共聚物的结构色性能表征

利用扫描电镜对微球进行进一步的截面分析显示，微球具有高度多孔、各向同性的内部结构，并且孔的位置表现出短程有序的特点。在比较不同颜色的微球（不同的颜色代表微球制备过程中纳米液滴的尺寸不同）时，也发现孔之间的壁厚均维持在31-33nm范围，而平均孔径则随着微球反射波长的增长而增长。这说明微粒中的壁厚与刷形嵌段共聚物的长度有关，而孔结构尺寸却由甲苯微液滴内部的水滴尺寸决定。

图2 刷形嵌段共聚物的结构表征

最后，文章还研究了微球在水溶液中和薄膜形式的视觉外观。检测发现，旋转过程中随着角度的变化，微球始终呈现出绿色，进一步确认了微球的各向同性结构。由于一般具有有序结构的光子颜料要求折射率匹配或者含有宽谱吸收剂才能避免由散射诱导作用（视角变化）引起的虹彩现象，因此研究人员认为这一非角度依赖的新型微球光子颜料具有巨大的应用潜力。

图4 光子颜料不同角度的光学图片

结论

这一研究阐释了通过剪切力控制液滴中的瓶刷聚合物的自组装行为而简便的成功制备非角度依赖光子颜料。研究发现，孔径的短程分布能够引起相干散射作用，从而赋予该微球光子颜料不随视角变化的光学性能。因此，研究认为这一新型策略不仅能够制备优异光学性能的光子颜料，还有望实现规模化生产，在织物染色、显示设备涂层等领域具有潜在的应用价值。

参考文献：

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

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002681

来源：高分子科学前沿

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