[发明专利]一种形貌可控且色彩无角度依赖性的光子晶体微粒及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子晶体微粒，特别涉及一种形貌可控且色彩无角度依赖性的光子晶体微粒及其制备方法，属于光子材料、结构色材料技术领域。

背景技术

获得不发生化学漂白或者光漂白的稳定色彩是涂料、化妆品、显示信息技术等领域的核心目标。上述持久、稳定的色彩可以通过对光波具有选择性反射作用的不吸收光的纳米结构来实现，这种由特殊纳米结构引起的色彩被称为结构色，对应的材料被称为“结构色”材料或者光子晶体材料。胶体微粒是制备“结构色”材料或者光子晶体的理想物质，原因是它们价格便宜、光学性质可以通过合成、控制微粒的形貌等方式进行简便调控。但由于带电荷（胶体微粒稳定存在的条件）的胶体微粒浓度增大时一般具有非常强的结晶倾向，导致制备的光子晶体材料呈现彩虹色的特征，即光子晶体呈现的色彩与观察者观察的角度有关：观察角度不同，光子晶体展现的色彩迥异。这一点非常不利于光子晶体材料在涂料、化妆品、显示等与色彩要求严格的领域中的应用。

避免胶体微粒结晶从而避免相应的彩虹色（色彩的角度依赖性）是一种实现色彩无角度依赖性的光子晶体彩色微粒的解决方案之一。其主要技术方案包括通过采用两种不同粒径的单分散微球进行组装（J.D.Forster,et.al.,Adv.Mater.2010,22,2939-2844），或者通过快速干燥(Y.Takeoka,et.al.,Sci.Rep.2013,50,2371；Y.Takeoka,et.al.,Angew.Chem.It.Ed.2013,52,7261-7265),或者采用特殊设计的核-壳微球通过微流控方式产生水包油包水（water-in-oil-in-water）双乳液，此设计可以通过渗透压梯度对胶体乳液进行浓缩，而胶体微球的软壳可以避免浓缩过程中结晶的发生（Y.Takeoka,et.al.,Angew.Chem.2014,126,2943–2947）。上述过程存在以下不足：一，采用两种不同粒径的微球进行组装得到的光子晶体材料色彩暗淡；二，油相的使用延长制备时间（需要把油相去除以得到固体微粒）甚至还可能带来环境问题；三，微粒形貌的调控难度高，文献中报道的多为球形。此外，高温下，莱顿弗罗斯特液滴模板的采用虽然可以避免油相的使用（C.H.Lim,et.al.Langmuir2014,30,8350-8356），但能耗相对较高。发展低成本、简便的制备形貌可控且色彩无角度依赖性的光子晶体微粒的制备方法还是一个巨大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种形貌可控且色彩无角度依赖性的光子晶体微粒。

本发明的目的还在于提供一种成本低廉、操作简单制备形貌可控且色彩无角度依赖性的光子晶体微粒的方法。

本发明的构思是这样的，将含有单分散胶体微球的乳液通过滴涂、喷涂或者打印到天然或者仿生制备的普通超疏水基底，经干燥后便可自组装得到光子晶体微粒。其形貌可以通过乳液中乳胶微球的浓度或者乳液中乙醇、表面活性剂的浓度进行调控。光子晶体微粒的大小可以通过在超疏水基底上形成的乳液滴的大小进行调控。进一步通过引入的黑色Fe₃O₄纳米微粒或者碳黑纳米微粒引起的光谱振动散射和内部无序结构造成的散射光构造干涉双重作用，消除光子晶体微粒的色彩角度依赖性。

具体的，本发明提供的一种形貌与尺寸可控且色彩无角度依赖性的光子晶体微粒的外表面由单分散胶体微球以面心立方周期性结构堆砌而成，微粒内部为长程无序结构，在单分散胶体微球的间隙填充有Fe3O4纳米微粒或碳黑微粒或石墨烯颗粒或三者的混合物等黑色纳米微粒，Fe3O4纳米微粒或碳黑微粒或石墨烯颗粒的粒径是2～50nm。

本发明中，所述的单分散胶体微球为单分散聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球和二氧化硅胶体微球中的一种。

本发明中，所述的光子晶体微粒的形貌为球形、椭球形、凹球形等。

本发明中，光子晶体微粒的尺寸为10μm～1500μm。

本发明中，椭球形光子晶体微粒的长径比为1.05～1.5.

本发明中，光子晶体微粒光子带隙为200～2500nm，0^o～75^o色彩和反射峰位置保持恒定。

本发明的一种形貌与尺寸可控且色彩无角度依赖性的光子晶体微粒的制备方法，包括以下步骤：