基于胶体光子微圆顶阵列的多模态结构色图形

《Advanced Functional Materials》：Multimodal Structural Color Graphics Based on Colloidal Photonic Microdome Arrays

提出一种结合胶体光子晶体与微尺度半球形凹面的混合结构色平台，通过角依赖的布拉格反射和曲率驱动的全内反射（TIR）干涉，实现四种可逆切换的光学状态。通过调控粒子体积分数（0.4）和微穹顶半径（9.2 μm），可分别优化布拉格反射和TIR干涉的色相与亮度。实验证明该结构在正入射下掩盖TIR颜色，倾斜后揭示隐藏图案，反转穹顶方向可切换明暗对比。该平台为防伪材料、智能标签和可调谐光学器件提供了新思路。

　　这项研究提出了一种结合胶体光子晶体与微尺度半球形穹顶的混合结构色彩平台，旨在实现动态可重构、多模式的视觉响应。通过将角度依赖的布拉格反射与曲率驱动的全内反射（TIR）干涉相结合，该系统能够实现四种不同的光学状态，并且这些状态可以通过观察角度和微穹顶的取向进行可逆切换。这种设计不仅为结构色彩领域提供了新的思路，还为智能标签、防伪技术和可调光学器件等应用打开了新的可能性。

在自然界中，结构色彩是由周期性纳米结构产生的，这些结构通过布拉格反射在可见光范围内生成鲜艳、虹彩般的颜色，而无需依赖化学色素。这种现象广泛存在于昆虫、鸟类、爬行动物和植物中，具有多种功能，如信号传递、伪装、紫外线防护和光能收集。受自然界的启发，科学家们开发了人工结构色彩材料，其中胶体自组装技术成为一种重要的手段，通过单分散颗粒自发形成周期性晶格结构。这些胶体晶体可以通过调节颗粒间距或折射率对比度来实现可调的光学特性，但其颜色在非正视角度下会显著减弱，因为布拉格反射具有高度的方向性。

为了克服这一限制，研究人员探索了微尺度曲率在结构色彩中的应用，通过干涉效应实现广角可见性，尽管其反射率通常较低。这种曲率驱动的色彩与布拉格反射的高纯度和方向性形成互补，为开发多功能结构色彩平台提供了重要思路。在此基础上，研究团队设计了一种混合结构，将胶体光子晶体嵌入到微穹顶阵列中，从而实现了单一材料下四种不同的色彩模式。

该混合结构的制造过程涉及将单分散二氧化硅颗粒分散在光固化树脂中，并将其夹在平面基板和带有半球形凹槽的模具之间。通过剪切诱导的自组装和紫外线固化，颗粒在模具的内表面和基板上形成周期性排列。最终形成的薄膜上，有序排列的光子微穹顶覆盖在光子背景层之上，能够根据观察角度的不同呈现出不同的视觉效果。当微穹顶朝下时，正视条件下布拉格反射主导，产生鲜艳、饱和的颜色，同时掩盖微穹顶结构。当略微倾斜观察时，微穹顶的曲率效应开始显现，通过多反射路径的TIR干涉，显示出隐藏的色彩图案。相反，当微穹顶朝上时，正视条件下背景的布拉格反射主导，而倾斜观察时，微穹顶的反射增强，从而形成反向对比，使图案显现。

通过调节二氧化硅颗粒的直径和体积分数，以及微穹顶的半径和表面积密度，可以实现对光学输出的精确控制，包括色调、亮度和空间分布。研究团队发现，当二氧化硅体积分数达到0.4时，颗粒排列最为有序，从而实现最强的布拉格反射。此外，通过控制微穹顶的半径，可以独立调节TIR干涉产生的色彩。例如，使用不同半径的微穹顶（9.2 μm、11.7 μm、13.3 μm）可以产生橙色、红色和绿色黄色等不同的TIR色彩，而布拉格反射则根据颗粒直径变化，产生绿色、青色和红色等色彩。

这种多模式的视觉响应来源于布拉格反射和TIR干涉之间的协同作用。布拉格反射对观察角度高度敏感，而TIR干涉则具有较宽的视角覆盖范围。通过合理设计这两种机制的相互作用，研究团队成功实现了在不同观察条件下对色彩的动态控制。例如，通过改变微穹顶的取向，可以在正视和倾斜观察之间切换色彩模式，从而实现隐藏与显现的双重功能。此外，通过控制微穹顶的密度，还可以实现灰度图像的呈现，进一步拓展了结构色彩的应用范围。

在实验验证方面，研究团队通过多种手段测试了这种混合结构的性能，包括光学显微镜成像、扫描电子显微镜（SEM）分析和反射光谱测量。结果表明，这种结构在正视和倾斜条件下均能保持良好的色彩均匀性，并且其光学性能在长期稳定性测试中表现出色。经过20次水浸和干燥循环，以及温度循环（25°C至70°C）和紫外线照射后，其色彩和结构完整性均未受到明显影响。此外，机械测试也证实了该结构在弯曲测试中表现出良好的韧性，能够承受弯曲半径为2 mm的应力而不断裂。

这些研究成果为结构色彩技术的发展提供了新的方向。通过将纳米尺度的布拉格反射与微尺度的TIR干涉相结合，研究团队不仅实现了对色彩的多维调控，还展示了该结构在信息隐藏、安全通信和动态视觉显示中的潜在应用。例如，他们成功制造了以花朵图案和二维码为代表的复杂图形，这些图形在正常观察时隐藏，但在倾斜观察时显现，实现了高度可调的视觉效果。这种技术的应用前景广阔，有望在智能标签、防伪材料和角度敏感传感器等领域发挥重要作用。

此外，该研究还提出了一个可扩展且兼容光刻工艺的结构色彩制造策略。通过使用PDMS模具进行微结构的复制，并结合剪切流和紫外线固化，可以实现高质量、大面积的结构色彩薄膜。这种策略避免了对化学染料或主动电子元件的依赖，使结构色彩技术更加环保和高效。同时，该设计方法还展示了如何通过控制微结构的几何参数，实现对光学性能的精确调控，为未来的可编程光子系统提供了理论支持和实践指导。

从应用角度来看，这种混合结构色彩平台具有重要的现实意义。在防伪技术领域，通过动态切换色彩模式，可以实现更加安全和难以复制的标识系统。在智能标签和可变显示领域，这种技术可以用于创建具有多模式响应的表面，实现信息的动态呈现和隐藏。此外，由于其对观察角度的高度敏感性，该结构还可用于开发新型角度敏感传感器，用于环境监测、安全认证等场景。

总体而言，这项研究不仅在理论上拓展了结构色彩的调控机制，还在实践中验证了其在多个领域的应用潜力。通过将纳米尺度的布拉格反射与微尺度的TIR干涉相结合，研究团队成功构建了一个具有高度可编程性和动态响应能力的结构色彩系统。这种系统在保持光学性能的同时，还具备良好的稳定性和可扩展性，为未来的光子材料研究和实际应用提供了重要的参考价值。