材料科學(xué)系武利民課題組智能顯示結(jié)構(gòu)色材料研究取得重要進展
結(jié)構(gòu)色相比于傳統(tǒng)的化學(xué)色（如顏料、染料等著色）而言，具有色彩反射率高、飽和度高、不易褪色、環(huán)保等特點。然而，現(xiàn)有的自然界或人工合成結(jié)構(gòu)色材料的反射類型基本為漫反射或鏡面反射，很少具有材料表面反射的第三種類型——逆反射，即反射光線射回光源方向的現(xiàn)象。并且，這些結(jié)構(gòu)色材料通常只具有隨角異色或隨角不變色，難以同時兼有隨角異色和隨角不變色的特性。而現(xiàn)有的商業(yè)逆反射材料的顏色主要來源于化學(xué)顏料，不僅生產(chǎn)和使用過程中污染嚴(yán)重，而且褪色、無智能響應(yīng)功能。
針對這一問題，武利民團隊將直徑為數(shù)微米至十幾微米的聚合物膠體微球組裝到普通透明聚合物膠帶的粘膠層上成單層微球陣列，首次報道了一種既具有逆反射、又同時具有隨角異色和隨角不變色的智能響應(yīng)結(jié)構(gòu)色薄膜材料，揭示了其智能響應(yīng)結(jié)構(gòu)色形成機理，并探索了其在智能顯示等領(lǐng)域上的應(yīng)用。相關(guān)成果于美國東部時間8月9日下午2點，以Iridescence-controlled and Flexibly Tunable Retroreflective Structural Color Film for Smart Displays為題在線發(fā)表在《科學(xué)》旗下主要子刊《科學(xué)進展》（Science Advances）上 (Science Advances, 2019, 5, eaaw8755)。德國公共電臺科技頻道對這一成果進行了電話采訪報道，新華社華盛頓分社等多家媒體也對該成果進行了報道。
武利民教授團隊所發(fā)展出的大面積逆反射結(jié)構(gòu)色薄膜，在室內(nèi)光線下，有球的薄膜面和無球的薄膜面均顯示無色，但在白光光源的照射下，無球薄膜面顯示逆反射智能結(jié)構(gòu)顏色：即，從照明的方向可觀察到均一、明亮的逆反射結(jié)構(gòu)色，且隨角不變色；而從非照明方向觀察時，薄膜隨照明角或觀察角變化而顯示不同的顏色，未見自然界和人工合成材料有相關(guān)光學(xué)特性的報道。研究表明，產(chǎn)生這種新穎光學(xué)現(xiàn)象的原因在于聚合物膠體微球與透明膠帶之間形成了一種獨特的基于氣墊微球/聚合物雙層結(jié)構(gòu)：即膠體微球與膠粘層聚合物由于彈性不同發(fā)生應(yīng)力收縮，從而在膠體微球與膠粘層之間形成空氣層，微球通過粘膠微絲與粘膠層連接懸掛在空氣層中形成陣列。當(dāng)白光光束從薄膜無微球一面入射時，光線會在微球陷入部分和未陷入部分的半球界面上分別發(fā)生薄膜干涉和全內(nèi)反射效應(yīng)，從而依次實現(xiàn)了智能結(jié)構(gòu)色的產(chǎn)生和逆反射的效果。通過調(diào)節(jié)微球的粒徑可以控制空氣層的厚度，從而產(chǎn)生不同顏色的結(jié)構(gòu)色。
圖1. 逆反射結(jié)構(gòu)色薄膜的（A-D）制備步驟, （E-I）結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，以及（J）照明/觀察同軸時隨角不變色和（K）照明/觀察不同軸時隨角變色的示意圖
該逆反射結(jié)構(gòu)色薄膜在智能顯示、交通安全反光設(shè)施、防偽標(biāo)簽、結(jié)構(gòu)色涂層和裝飾等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。如，薄膜應(yīng)用于夜間交通反光標(biāo)牌或廣告牌時，由于車燈照明的方向和司機的視角處于同軸，司機從遠到近可觀察到均一、鮮艷的反光顏色；而路邊的行人由于視角和車燈照明方向處于不同軸，隨著車輛由遠及近可觀察到不斷變化的反光顏色，從而可有效提醒行人（特別是佩戴耳機或聽力受損者）主動避讓后方的車輛，避免交通事故的發(fā)生。通過一定的照明和觀察方式，該薄膜或涂層還可實現(xiàn)其他的智能交通顯示功能，如具有交互式變色和閃爍功能的交通信號標(biāo)牌等。
圖2.（A）逆反射結(jié)構(gòu)色薄膜制備的交通反光標(biāo)牌在夜間道路上應(yīng)用的示意圖，以及車輛距離標(biāo)牌不同距離L時（80米、50米、30米）（B-D）行人視角和（E-G）司機視角的照片
圖3.行駛中的車輛離由遠及近80米，40米，15米和10米時（a-d）司機視角和（E-G）行人視角的廣告牌變化
武利民課題組的博士后范聞和博士生曾靜，及紐約州立大學(xué)布法羅分校的甘巧強教授為該論文的共同第一作者，武利民教授為該論文的通訊作者，物理系石磊教授團隊多次參加了討論。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委和復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國家重點實驗室等的共同資助。該研究已申請中國和美國專利各一項。
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