化學所在仿生結構色材料研究中取得系列進展

　　傳統的顯色技術通常利用色素來顯色，然而色素具有化學性質不穩定、對環境不友好、容易褪色等缺點，導致其應用受到限制。相比于色素色，結構色是基于物質的周期性微納結構（例如光柵、光子晶體等）對光的調控實現的，具有化學性質穩定、環保、高分辨率等優點，在顯示、傳感和防偽等方面具有廣泛應用前景。特別是存在于自然界生物體中的復合周期性微納結構，可以產生較好的光學效果，如混合色、偏振、超白、超黑、動態結構色等，為制備新型光學材料提供了思路。因此，研究自然界生物體的微納米結構并結合人工設計制備結構色材料具有重要意義。

　　近年來，在國家自然科學基金委員會、科技部和中科院的支持下，中國科學院化學研究所綠色印刷實驗室研究員宋延林和李明珠對仿生結構色材料開展研究，并取得了系列進展。

　　在動態結構色方面，科研人員受蜂鳥羽毛的色彩調控機制啟發，將剪紙結構的高精度可控形變與光子晶體結構色的角度依賴性相結合，首次報道了一種快速、精確、可重復調控色彩的光子晶體剪紙薄膜材料。該剪紙薄膜材料在外部加載下，可以準確控制矩形鱗片的彈出角度，并實現全光譜色彩的精確控制，同時可實現10000次以上的疲勞壽命，為動態結構色顯示、傳感、偽裝等研究提供了新平臺。此外，研究人員從理論上研究了激光切割、剪紙圖案設計以及薄膜基材的組成對剪紙結構由二維到三維變化的影響，揭示了光子晶體剪紙薄膜發生面外高精度可控變形的機理。研究人員還利用厚度對翹起角度的控制關系實現了薄膜圖案化的可編程顯示。該材料在體育行業、醫療器械、可穿戴服裝和低能耗彩色顯示器等領域具有應用前景，并為反射式顯示技術和產品的開發與應用開辟了新途徑。相關研究成果以封面論文形式發表在Angewandte Chemie International Edition上，并被選為熱點文章。

　　科研人員還受自然界中蝴蝶翅膀偏振色彩調控機制的啟發，提出了利用自組裝和納米壓印技術制備的具有準三維光子結構的偏振敏感光子晶體復合薄膜。常規的二維光子晶體結構產生了強角度依賴性的結構色彩，而微淺坑結構則提供了傳統雙層光子晶體薄膜無法實現的偏振結構色。該方法將偏振效應和結構色彩集成到光子晶體復合薄膜中，可用于多維視角和偏振控制的信息加密和防偽。研究人員從理論和實驗上研究了光子晶體復合薄膜的光學特性，證明了該復合結構薄膜具有多種光學效應，包括散射、衍射和偏振。光子晶體復合薄膜的這些特性使得利用不同的光學參量（散射、衍射和偏振）實現多通道圖像切換成為可能。該方法對入射光的光學參數具有極大的控制自由度，為大容量、高安全性的三維光學信息加密和防偽開辟了新途徑。此外，雙層光子晶體復合薄膜（單層密堆積的聚苯二烯微球和周期性陣列微淺坑結構）之間的隨機排列可以作為唯一的指紋。因此，光子晶體復合薄膜還提供了一種幾乎不可能復制的全彩色、3D加密和精細納米結構的新識別方法。該研究成果近日發表在Advanced Materials上。

圖1.光子晶體剪紙薄膜的制備及其顯示過程

圖2.PCCF的設計流程與加密成像基本原理