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1、神奇粘土纳米片悬浮液的明亮、无虹彩结构色 Sci. Adv.：粘土纳米片悬浮液构建明亮、无虹彩结构色 人工微纳米结构可以通过改变光的传播方向从而实现神奇的隐身功能，还能通过调控光波的相位和频率，形成绚丽多彩的颜色。结构色是微纳米尺寸的结构与入射光发生相互作用而产生的颜色。相比传统的着色染料和涂料，结构色具有高分辨、稳定、环保等优点。在伪装、防伪、信息存储等领域有广泛的应用前景。结构色是自然界中常见的生物着色机制，在鸟类（羽毛）、海洋动物(身体)、昆虫(翅膀)和植物中广泛存在。近年来，人工结构色彩色材料引起广泛关注，主要包括多层薄膜、F-P微腔、光子晶体、超表面等，并实现了动态可调结构色的机理及
2、应用。 明亮且非虹彩的结构颜色是非常理想的，具有工业、商业和军事应用的广泛潜力。研究人员已发现了多种结构色材料，如：铌酸盐纳米片、嵌段共聚物胶束、纤维素材料等。虹彩与非虹彩材料具有很大不同，虹彩结构成色与1D、2D或者3D光子晶体的周期性有关，非虹彩结构成色，其纳米结构存在某种程度的无序。液晶相介于有序结晶和无序液体结构之间，因此可以提供虹彩或非虹彩的光子结构，可通过改变散射粒子之间的间距进行颜色调控。 二维材料纳米粘土矿物资源丰富，绿色环保，成本可控，最适宜用于大规模生产，但其结构成色却迟迟未能实现。最有希望的纳米粘土是2:1层状硅酸盐，遇水膨胀后产生1 nm厚的固体纳米片。这些纳米片带有由
3、与表面相关的阳离子补偿的净负电荷，根据表面阳离子的类型、电荷密度和悬浮介质，表现出排斥性渗透膨胀现象，由此形成向列液晶相。Na-氟锂辉石(Na-fluorohectorite，Na-FHt)是一种合成粘土矿物(图1)，与大多数其他粘土矿物相比，其结构更均一、电荷分布窄、纵横比大( 20，000)，浸入水中形成向列悬浮液。单个粘土纳米片在水中分散为均匀间隔，可通过调控水分散液的浓度获得不同的均匀间隔。 图1. Na-FHt结构示意图 此工作中，作者通过调整Na-FHt/水比例，产生与可见光波长范围相对应的纳米片间隔，快速便捷地产生覆盖整个彩虹色光谱的光子布拉格堆叠。不同浓度的单层纳米片悬浮液(S
4、uspended single layers，SGL)可产生中等亮度的平滑颜色(图2C)。有趣的是，通过Cs+固定单层纳米片，形成双层纳米片(Double layers，DBLs)，可极大改善粘土光子结构的结构颜色亮度和非虹彩(图2D)。并且，DBLs的向列相通过排斥性渗透膨胀在入水的几秒到几分钟就可发生(图2B)，从而迅速产生结构着色。这现象如同鱿鱼能够通过渗透驱动的虹膜细胞中布拉格层状堆叠的变化来可逆地调整体表的结构颜色。 此外，离子强度提供了控制光子响应的附加参数。DBLs的结构着色依赖于水悬浮液中具有巨大纵横比的共面粘土纳米片之间的强静电排斥，只需添加适量的水即可将它们分离到不同间距，
5、通过这种方式可选择性干扰波长。观察到的颜色取决于层距，部分取决于观察角度。 图2. 粘土双层纳米片的结构颜色产生原理。(A) Na-FHt的二维层状结构示意图。(B)双层纳米片的向列示意图。(C) 单层纳米片SGL水悬浮液的结构颜色。(D) 双层纳米片DBLs水悬浮液的结构颜色。(E) 层状布拉格堆叠悬浮液的光反射结构着色原理。 DBLs悬浮液呈现两个独立的结构颜色范围，第一个范围(R1)从1.34到0.67 wt.%(图3B和3D)，第二个范围(R2)从0.56到0.34 wt.%(图2C和2E)。 图3. 结构颜色的表征和控制。(A) R1与R2的结构颜色。(B) R1的波长反射曲线。(C
6、) R2范围的波长反射曲线。(D，E) 波长最大值与体积百分比和线性拟合。 静电相互作用控制这纳米片在水中的分散间距，所以也可以通过改变离子强度来调节颜色。当逐渐增加DBLs悬浮液的离子强度(0.71 wt.%)时，由于静电屏蔽增加，纳米片分离减少，结构颜色蓝移(图4)。实验观察到颜色波长峰值与盐浓度之间几乎呈线性关系。 图4. 波长最大值与离子强度函数以及相应结构颜色。 通过两个不同角度(5和30)拍摄发现，纳米片的结构成色是非虹彩的(图5A)，这可能是由于纳米片弯曲和起皱造成的局部紊乱和纳米片平面中的湍流组织结合，这些局部的无序性使其结构颜色几乎是非虹彩的(图5B)。粘土纳米片在平面内很坚
7、固，但在横截面上却相当柔软，这使得它们可以弯曲或起伏，布拉格堆叠中的相邻粘土纳米片层可以以随机位移的方式进行湍流堆叠，但粘土层的惯性矩仍然是均匀分布的。 图5. (A) 不同拍摄角度(5和30)的结构颜色。(B) 左：虹彩颜色产生示意图：有序排列；右：非虹彩颜色示意图：扰动的排列示意图，这可能是产生非虹彩的机制。 由于粘土矿物的可持续性和丰富来源，这种基于水分散液的结构成色在多领域中具有潜力。对于天然粘土，蛭石具有大的纵横比，可能最适用与开发这种成色模式。此外，粘土纳米片与多种高分子聚合物、水凝胶基质结合，可用于增强、调整复合材料的机械强度和稳定性。因此，当将适量的这些粘土纳米层嵌入透明但机械
8、强度较弱的基质中，有希望获得具备结构着色、机械强度和可调稳定性的优越复合材料。 此工作由挪威科技大学Jon Otto Fossum团队与德国拜罗伊特大学Josef Breu团队合作完成，以“Bright, noniridescent structural coloration from clay mineral nanosheet suspensions”为题发表于Science Advances（26 Jan 2022 Vol 8, Issue 4）。 以上内容为外文精简翻译版（翻译者：暨南大学冯悦），详细信息请参看Science Advances原文。 全文链接： https:/www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abl8147