Principen för produktion av strukturella färger från nematiska lera dubbla lager (DBL). (A) Schematisk 2D lamellstruktur av syntetisk Na-fluorohektorit (Na-FHt). Na-FHt bildar spontant nematiska faser av enstaka 1 nm tjocka nanoskivor [enkla lager (SGL)] när de sänks ned i vatten. (B) Schemat av protokoll för produktion av nematiska faser av dubbla 2-nm-tjocka lager (DBL). (C) Strukturella färger erhållna från SGL vattensuspensioner vid noll jonstyrka. (D) Strukturella färger från DBL vattensuspensioner vid noll jonstyrka. Lerhalterna anges i volymprocent. (E) Principen för reflekterande strukturell färgning erhållen från en lamellär Bragg-stapelsuspension. Varje lamell är semitransparent och reflekterar en del av det inkommande vita ljuset som sedan stör konstruktivt enligt Bragg-Snells lag, vilket förstärker en enda färg som både är beroende av lageravståndet och observationsvinkeln (iriscens). En mörk bakgrund absorberar det vita ljuset som sänds genom hela stapeln. Endast DBL-fallet visas i skissen. Kredit:Science Advances .
I en ny rapport som nu publicerats på Science Advances , Paulo H. Michels-Brito, och ett team av forskare inom fysik, oorganisk kemi och fysikalisk kemi i Tyskland och Norge, visade hur ljus icke-iriserande strukturell färgning enkelt och snabbt kunde uppnås från tvådimensionella nanoskivor av lermineral.
Strukturella färger kan härröra från lösningar av lermineral nanoskivor via konstruktiv interferens av ljus efter reflektion och spridning från nanostrukturer med periodicitet jämförbar med våglängder för synligt ljus. Forskarna förbättrade ljusstyrkan enormt genom att använda dubbla nanoskivor av lera för att optimera lerans brytningsindex som annars kan hindra strukturell färgning från sådana system.
Genom att variera lerkoncentrationen och jonstyrkan kunde de strukturella färgerna regleras exakt och reproducerbart för att lätt erhålla icke-iriserande. Sådana nanoskivor med lerdesign kan bäddas in i återvinningsbara solida matriser för att samtidigt ge avstämbara, levande färger, mekanisk styrka och stabilitet för att öppna en tidigare okänd region för hållbara färger.
Strukturell färgning i naturen och i labbet
Strukturella färger är resultatet av fotoniska vågor som interfererar konstruktivt efter reflektion och spridning från nanostrukturer med avstånd jämförbara med våglängder för synligt ljus. Mekanismen för strukturell färgning skiljer sig fundamentalt från absorbansen av färgämnen eller pigment. Till exempel, med strukturella färger kan materialet vara halvtransparent, där färgspektrumet kan justeras genom att justera nanostrukturerna.
Denna mekanism kan kombineras med ljusabsorberande mörka pigment som noterats med viktiga biologiska färgningsmekanismer som ses i naturen; förekommer på fåglar, marina djur, vissa däggdjur, insekter och vissa växter. Konceptet med strukturell färgning har också väckt ett enormt intresse inom industrisektorerna, inklusive L'Oréals fotoniska kosmetika och Morphotex för att representera bioinspirerad design.
Det överflöd och den tid det tar att tillverka konceptet är dock stora begränsningar för exklusiva industriella tillämpningar. Strukturell färgning förlitar sig på iriserande, till exempel kan blåfåglars och fjärilars fjädrar efterliknas med kolloidala partiklar. I detta arbete har Michels-Brito et al. utvecklat en metod för att producera strukturella färger från nematic clay double layers (DBL). Teamet valde syntetisk natriumfluorohektorit (Na-FHt) – ett syntetiskt lermineral med överlägsen kvalitet i förhållande till strukturell homogenitet, smal laddningsfördelning och ett stort bildförhållande, vilket teamet karakteriserade som materialegenskaper.
Forskarna justerade Na-FHt till vatten-förhållandet och nanobladseparationer baserat på våglängdsområdet för synligt ljus, där de fotoniska Bragg-staplarna som täcker hela spektrumet av färger kunde produceras snabbt och enkelt. De upphängda enkelskikten gav upphov till jämna och ljusa färger. Emellertid kunde teamet förbättra ljusstyrkan och noniriscensen hos de strukturella färgerna genom att applicera dubbla lager (DBL) av två upphängda enkla lager som är nålade ihop.
Som en direkt biomimetisk analog till denna mekanism, Michels-Brito et al. jämförde Loliginid-bläckfiskarna, på grund av deras förmåga att ställa in sina strukturella färger via osmotiskt drivna förändringar. Strukturell färgning från DBL (dubbla lager) förlitade sig på stark elektrostatisk avstötning mellan cofacial (lego-liknande) lerananoskivor för att separera dem på olika avstånd genom att helt enkelt lägga till rätt mängd vatten och välja den våglängd som stör konstruktivt.
Forskarna beskrev den konstruktiva interferensen av vitt ljus från individuella nanoark med hjälp av Bragg-Snells lag. Följaktligen berodde den observerade färgen på skiktavståndet och observationsvinkeln (iriserande). Teamet reglerade separationen av nanoskivor genom att justera lerkoncentrationen i suspensioner i platta kvartskyvetter med en 1 mm banlängd för att visa möjligheten att snabbt ställa in strukturella färger genom att tillsätta vatten i lösningen.
Karakterisering och kontroll av strukturella färger från nematisk lera DBL. (A) Strukturella färger i R1- och R2-områdena (fig. S6 visar dubbelbrytningen). (B) RSP för R1-intervall. (C) RSP för R2-intervall. (D) RSP-maxima (med felstaplar) kontra volym % och den linjära passningen. (E) RSP-maxima (med felstaplar) kontra volymprocent och den linjära passningen. Detaljer om hur RSP-maxima bestämdes och hur felen uppskattades från dessa passningar förklaras i fig. S7. (F) d-mellanrum (med felstaplar) kontra volym % erhållen från R1 och R2 intervall och linjär passning. (G) RSP-maxima kontra jonstyrka och motsvarande observerade strukturella färger. (H) CIE (Commission Internationale de l'Elcairage) diagram över första ordningens färger. (I) Effekt av mörk respektive vit bakgrund. Kredit:Science Advances .
Icke-skimrande strukturella färger från nematisk lera DBL. (A) Strukturella färger i olika vinklar (5° och 30°). (B) Skiss av strukturell ordning som skulle ge iriserande färger och skiss av möjliga störningsfaktorer som, i kombination, kan förklara den observerade noniriscensfärgen. Kredit:Science Advances .
Optimera tekniken för industriella tillämpningar
Dubbelskiktet presenterade två olika strukturella färgförändringar, där det effektiva brytningsindexet kunde bestämmas med hjälp av småvinklar röntgenspridning och reflekterande spektrofotometerdata. Eftersom elektrostatiska interaktioner styrde separationen av nanoskivor, kunde färgerna ställas in genom att variera jonstyrkan.
Till exempel, genom att öka jonstyrkan hos en röd dubbelskiktslösning, kunde teamet blåskifta den strukturella färgen på grund av minskad separering av nanoskivor, på grund av ökad elektrostatisk screening. Under studien verkade alla prover oväntat icke-iriserande för ögat. Efter noggrann inspektion märkte de små skillnader i färgernas ljusstyrka baserat på synvinkeln. Noniriscensen av de nematiska lerlösningarna resulterade från en kombination av lokala störningar i förhållande till nanosheets böjning och skrynkling, och turbostratisk organisation i planet av nanosheets.
Michels-Brito et al. studerade proverna i kvartskyvetter med fasta utrymmen där förseglade prover som satt "på skrivbordet" i mer än fyra till fem dagar visade viss iris. För prover framställda i saltlösning var sådana nedbrytningstider kortare i storleksordningen två dagar på grund av sedimentering av lösningarna, vilket modifierade färgerna. Teamet fick snabbt tillbaka färgerna genom att försiktigt skaka kyvetterna. Dessa tidsskalor på två till fem dagar gav tillräckliga luckor för att fixera den icke-iriserande karaktären hos strukturella färger i en transparent matris för efterföljande industriell roll-to-roll-bearbetning för pigmenttillverkning. Filmerna kan reduceras i tjocklek under 1 mm för att bilda färger i 200 µm tjocka lösningar.
Na-Fluorohektoritstruktur. De orange oktaedriska platserna (rosa sfären) innehåller magnesium som delvis ersätts med litium. Det oktaedriska arket är inklämt mellan de blå tetraedriska arken. De tetraedriska platserna (mörkblå sfärer) innehåller kisel. De ljusblå sfärerna är fluor och de röda sfärerna är syre. De gröna sfärerna är mellanskiktskatjonerna, typiskt Na+ från syntesen. Kredit:Science Advances .
Outlook
På detta sätt Paulo H. Michels-Brito et al. presenterade ett system som stod för hållbarheten och överflöd av lermineraler för uppskalerade applikationer inom olika områden, allt från pigment i kosmetika till hälsovård, såväl som fönster och kakel. Resultaten av denna studie om syntetisk lera kan överföras till naturliga leror, där vermikulit presenterar sig som den mest lämpliga kandidaten för att uppgradera konceptet.
Teamet planerar att inkludera exfolierade lernanoskivor i små mängder till polymermatriser, inklusive biologiskt nedbrytbara biopolymerer och hydrogelmatriser för strukturell förbättring för att justera den mekaniska styrkan och stabiliteten hos de resulterande kompositerna. Resultaten har stor genomslagskraft inom kosmetika och personliga vårdapplikationer för att skapa mer hållbara och återvinningsbara formler, för att också uppnå målen för en cirkulär ekonomi. + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
