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利用LB膜分析儀技術制備納米環組裝陣列，得到一種具有結構色的材料
來源：大連理工大學 瀏覽 171 次 發布時間:2025-09-17
摘要:本發明屬于光學及納米材料自組裝領域，提供了一種具有結構色的材料及其制備方法和應用。以聚合物納米環為組裝單元，以易揮發的有機溶劑為分散介質，水氣界面為組裝界面，通過界面表面張力梯度誘導的自組裝過程使納米環陣列定向排列在水面上，其中，納米環的外徑為500?1000nm，厚度為100?400nm。隨后利用LB膜分析儀技術，在合適的成膜壓力、成膜速度、拉膜速度和拉膜壓力下可控地將緊密排列的納米環陣列轉移到透明基底上得到一種具有結構色的材料。本發明制備的結構色材料結構色明顯且具有角度相關性，同時其結構色可以通過組裝單元的尺寸進行調控，適用于在顯示、防偽、加密等領域中使用。
引言
膠體粒子組裝而成的具有周期性的納米陣列，可以與光相互作用，產生明亮的、五彩斑斕的結構顏色，也稱結構色。這類結構色不同于常規的顏料或者染料，它具有環境友好，穩定性強，對光不敏感的優點，因此在防偽、顯示、加密等領域發揮著越來越重要的作用。
根據膠體粒子的形貌特征，可以將納米陣列分為納米球陣列和以形貌各向異性納米粒子為單元的陣列。相比于納米球陣列，形貌各向異性組裝單元的陣列由于組裝單元的形貌復雜度更高，能夠提高組裝方式的多樣性，從而提升納米陣列對光的調控能力。王等在文章《Magnetic Assembly and Field-Tuning of Ellipsoidal-Nanoparticle-BasedColloidal Photonic Crystals》中報道了一種由橢圓形納米粒子組裝而成的有序組裝體，由于橢圓結構的不對稱性，組裝體在不同方向上的周期性不同，這是納米球組裝體所不具備的特征，因此顯著拓寬了反射光的可調控范圍。宋等在文章《Design and Self-Assemblyof Polyhedron Particles to Construct Iridescent Structural Colors》中報道了一種由多面體組裝單元組成的納米陣列，該陣列由于多面體的多方向散射的性質從而展現出閃耀的金屬質感的結構色，這種獨特的結構色在防偽領域具有應用潛力。上述研究表明進一步拓展各向異性納米粒子組裝體的種類并研究其結構對光傳輸的影響，無論在理論研究領域還是應用方面都是必要的。但是總的來說，目前關于這方面的研究非常有限，這主要歸因于形貌各向異性納米粒子有序組裝過程的困難性。
在前期的研究工作中(CN112499615A)，我們報道了一種形貌各向異性的納米聚合物環、納米炭環及其制備方法。以長鏈脂肪醇相變材料、表面活性劑、酚、醛和有機胺為原料，水為溶劑，經過低溫聚合，制備出形貌規整、截面圓直徑可調的聚合物環。由于這些納米環材料并不具有周期性的結構，所以其本身并不具有結構色。基于結構色的生成原理，對納米環進行周期性排列有望制備出新型的結構色材料，這對于拓展結構色材料的應用性能和場景均具有重要意義。但是對于納米環這種形貌各向異性的納米結構，其本身在溶液中受到的范德華力和靜電作用力不對稱，因此需要更加精準控制納米環的取向性，才能夠制備出均勻有序的納米環陣列。由于上述挑戰的存在，目前未有這方面的報道。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明的第一個目的是提供一種具有結構色的材料，該材料由透明的基底和均勻覆蓋在基底表面的單層的納米環陣列組成。在納米環陣列中，納米環以“平躺”的方式緊密排列，每平方毫米納米環的個數為800-2000個。該結構色材料在透射條件下能夠呈現出隨著觀察角度變化的結構色。
本發明的第二個目的是提供一種具有結構色的材料的制備方法，該制備方法的原理是表面張力梯度誘導的納米環的自組裝過程。
本發明的第三個目的在于提供一種具有結構色的材料在結構色材料，防偽，顯示和加密等領域的應用。
本發明的技術方案：
一種具有結構色的材料，主要由透明的基底和均勻覆蓋在基底表面的單層的納米環陣列組成；在納米環陣列中，納米環以“平躺”的方式緊密排列，每平方毫米排列納米環的個數為800-2000個。該結構色材料在透射條件下能夠呈現出隨著觀察角度變化的結構色。
一種具有結構色的材料的制備方法，包括以下步驟：
①將納米環加入到易揮發的有機溶劑中超聲震蕩，得到一定濃度的納米環分散液；
②采用FLB2000A型LB膜分析儀制備具有結構色的材料：在LB膜分析儀的盤面中注滿一定pH的氨水水溶液作為亞相，隨后將透明基底用LB膜分析儀的機械臂夾住，并將其浸入位于盤面中央的凹槽中；將一定體積的上述納米環分散液緩慢滴加在氨水水溶液中；有機溶劑的加入會引起整個水面表面張力不平衡，在不平衡的表面張力的驅動下，水面會發生對流，而納米環在對流的過程中漂浮在水面之上，形成松散的“小島狀”的納米環單層聚集體；設置LB膜分析儀的參數(成膜速度，成膜壓力，拉膜速度，拉膜壓力)，隨后位于盤面兩端的LB膜分析儀的劃障按照設置好的成膜速度開始移動并將漂浮在水面上的納米環聚集體在設置好的成膜壓力下壓縮成緊密排列的單層納米環陣列。隨后控制機械臂按照設置好的拉膜速度向上提拉透明基底，同時劃障會緩慢調節位置促使納米環陣列的受到的壓力保持在設定的拉膜壓力，從而使位于水面的納米環陣列緩慢轉移至不斷提升的基底之上。待基底完全漏出水面后，納米環陣列便均勻轉移至基底表面，得到結構色材料。
圖1為納米環組裝陣列的微觀形貌圖。
圖2為納米環組裝陣列的隨散射角度變化的散射光譜。
所述納米環的外徑為500-1000nm，厚度為100-400nm。
所述的易揮發的有機溶劑為丙醇、異丙醇、丁醇、異丁醇或戊醇，優選丁醇。
所述納米環分散液中納米環的質量分數為0.5％-3.5％，優選2％。
所述的氨水水溶液的pH在7.1-11.0之間，優選pH為10.0。
所述一定體積的納米環分散液為每平方厘米盤面滴加0.2-4μL的納米環分散液。
所述的LB膜分析儀的參數，成膜壓力為15-30mN/m；成膜速度為1mm/min-40mm/min；拉膜速度為1mm/min-40mm/min；拉膜壓力為15-30mN/m。
所述透明基底為玻璃、石英、PDMS、PET、PP等，優選玻璃和石英。
本發明的有益效果：本申請公開了一種具有結構色的材料及其制備方法和應用。該結構色材料是以納米環為組裝單元，借助表面張力誘導的自組裝的方法，通過LB膜分析儀，將納米環陣列緊密排列在透明基底上得到的。合適的納米環分散液的濃度、溶劑組分、亞相的pH、成膜速度，成膜壓力，拉膜速度，拉膜壓力能夠避免納米環陣列出現無序堆積、多層重疊、排列稀疏等問題，是制備高質量的納米環陣列的關鍵。而較好納米環排列狀態是獲得明亮結構色的前提條件。通過調節納米環的尺寸還可以進一步調節結構色的性質，該材料在新型結構色材料中展現出應用潛力。