一种胶体光子晶体墨水、一种胶体光子晶体结构色及其制备方法

本发明属于结构色，具体涉及一种胶体光子晶体墨水、一种胶体光子晶体结构色及其制备方法。

背景技术：

1、颜色是世界组成必不可少的一部分，研究显示人类识别物体先看到颜色再看到形状，显然人类在无意识中就先处理了颜色信息，因为人类之所以能够辨别出形状，正是通过轮廓周围的色差。从颜色形成的原理上来说，主要可以分为化学色和结构色两类。化学色的产生机理主要源于有机分子和官能团对自然光的选择性吸收，而结构色产生的机理主要源于光与微纳结构产生相互作用，包括光的折射、反射、衍射、干涉等。目前学者们从生物的角度受到启发，致力于模仿这种微纳结构，使其应用在显示器、传感器、防伪等多个领域。光子晶体便是其中使用最广泛的一种，其指的是在亚微米尺度下，折射率具有周期性变化的一种光学材料。1987年john和yablonovitch从电磁场的角度证明了光子晶体可以产生光子带隙(pbg)。光子带隙中存在一定波长的光被禁止传播，当光子带隙处于400～800nm波长内时，则会生成结构色。虽然与化学色相比，结构色具有颜色持久稳定，无毒无害，绿色环保等优点，然而因其在亮度和饱和度方面较化学色有较大的差距，且图案化制备多以模板法为主，严重制约着结构色在生产生活中的应用。

2、为增强光子晶体结构色质量，常见的方法有在胶体光子晶体中掺杂黑色物质，以此来吸收因无序排列带来的散射光，例如takeoka等人在二氧化硅光子晶体中掺入了少量炭黑，提高了结构色的饱和度；iwata等人将聚苯乙烯小球和墨鱼墨相互混合，获得了高饱和度的非晶态结构色，其课题组还通过将承载光子晶体的衬底由透明的玻璃换成黑色的石英衬底，发现结构色饱和度提高明显。上述方法虽然提高结构色饱和度，但也带来亮度降低的问题。除此之外，也有学者通过选择黑色的纳米小球或者构建核壳结构等方法来提高结构色的饱和度，例如hu等人在研究smnp@sio2纳米小球时发现，在smnps中添加硅壳可以进一步调整由此产生的结构颜色的色调和亮度；liu等人由此启发，制备了sio2@pda@go纳米小球，得到的生动的结构色。上述方法虽然性能优异，但复杂的合成方法往往难以带来足够的高良品率和稳定性，会制约其工业化的应用。目前，研究者在提高结构色饱和度和亮度方面，主要集中于材料端的制备，从结构方面对结构色进行优化的研究相对比较欠缺。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种胶体光子晶体墨水、一种胶体光子晶体结构色及其制备方法，本发明从结构方面对结构色进行优化，成功打印了具有高亮度、高饱和度的结构色图案，不但提高了胶体光子晶体结构色亮度，并且提高了结构色颜色的饱和度。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种胶体光子晶体墨水，包括羧基化聚苯乙烯纳米微球、水和乙二醇；所述乙二醇和水的体积比为7：3；所述羧基化聚苯乙烯纳米微球在所述胶体光子晶体墨水中的质量浓度为0.03g/ml。

4、优选的，所述羧基化聚苯乙烯纳米微球的粒径为169～252nm，水合半径为190～295nm，pdi≤0.05。

5、优选的，所述羧基化聚苯乙烯纳米微球的制备方法包括以下步骤：

6、在保护气体气氛中，将水、α-甲基丙烯酸、直链烷基苯磺酸钠、碳酸氢钠、苯乙烯单体和过硫酸钾混合进行反应，得到所述羧基化聚苯乙烯纳米微球；所述α-甲基丙烯酸和所述苯乙烯单体的体积比为0.1:5.5；

7、所述反应的温度为70℃，时间为8h。

8、本发明提供了一种胶体光子晶体结构色的制备方法，包括以下步骤：采用上述技术方案所述的胶体光子晶体墨水在基底表面打印液滴，所述液滴在所述基底表面形成图案化表面，得到图案化基底；

9、将所述图案化基底翻转180°，使所述图案化表面倒置朝下进行蒸发自组装，在基底表面形成胶体光子晶体结构色微穹顶单元，在基底表面得到胶体光子晶体结构色。

10、优选的，所述图案化打印采用电流体喷墨打印设备的打点模式进行，每滴液滴的直径为200～600μm。

11、优选的，所述电流体喷墨打印的条件包括：占空比为50％，偏置电压为800v，幅值为800v，频率为200hz。

12、优选的，所述蒸发自组装的温度为30℃，相对湿度为60％。

13、优选的，所述基底为硅片；所述图案化打印之前，还包括将所述基底进行疏水处理，所述疏水处理包括以下步骤：采用氧气对所述基底进行等离子体处理，得到等离子体处理的基底；

14、采用疏水处理试剂对所述等离子体处理的基底进行疏水处理，所述疏水处理试剂包括有机溶剂和硅烷试剂。

15、本发明提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的胶体光子晶体结构色，所述胶体光子晶体结构色由微穹顶单元构成。

16、优选的，所述微穹顶单元的高径比为0.35，所述微穹顶单元的底面直径为20～40μm。

17、本发明提供了一种胶体光子晶体墨水，包括羧基化聚苯乙烯纳米微球、水和乙二醇；所述乙二醇和水的体积比为7：3；所述羧基化聚苯乙烯纳米微球在所述胶体光子晶体墨水中的质量浓度为0.03g/ml。本发明通过调整乙二醇连续相的比例，来调整胶体光子晶体墨水的粘度和表面张力，成功打印并蒸发自组装形成胶体光子晶体结构色微穹顶单元。本发明提供的胶体光子晶体墨水通过简单翻转基板的蒸发自组装，不但提高了胶体光子晶体结构色亮度15％～20％，并且提高了结构色颜色的饱和度。

18、本发明提供了一种胶体光子晶体结构色的制备方法，包括以下步骤：采用上述技术方案所述的胶体光子晶体墨水在基底表面打印液滴，所述液滴在所述基底表面形成图案化表面，得到图案化基底；将所述图案化基底翻转180°，使所述图案化表面倒置朝下进行蒸发自组装，在基底表面形成胶体光子晶体结构色微穹顶单元，在基底表面得到胶体光子晶体结构色。本发明通过调整胶体光子晶体墨水的表面张力和粘度，使其适合于图案化打印；然后，本发明通过倒置蒸发自组装的方法，增强了马尼戈拉流，使胶体光子晶体微穹顶具有更高的高径比，从而提高结构色亮度和饱和度，为结构色颜色质量优化提供了一种新的方法。

19、本发明提供的胶体光子晶体结构色的制备方法，一方面采用经过疏水处理(ots处理)后的基板，可以减少三相线的钉扎，促进纳米颗粒向内运动，促进有序紧密自组装；另一方面通过倒置蒸发自组装的方法，增强了马尼戈拉流，促进纳米颗粒向内运动，促进有序紧密自组装过程，从而使胶体光子晶体微穹顶具有更高的高径比，从而提高结构色亮度和饱和度，为结构色颜色质量优化提供了一种新的方法。

技术特征：

1.一种胶体光子晶体墨水，其特征在于，包括羧基化聚苯乙烯纳米微球、水和乙二醇；所述乙二醇和水的体积比为7：3；所述羧基化聚苯乙烯纳米微球在所述胶体光子晶体墨水中的质量浓度为0.03g/ml。

2.根据权利要求1所述的胶体光子晶体墨水，其特征在于，所述羧基化聚苯乙烯纳米微球的粒径为169～252nm，水合半径为190～295nm，pdi≤0.05。

3.根据权利要求1或2所述的胶体光子晶体墨水，其特征在于，所述羧基化聚苯乙烯纳米微球的制备方法包括以下步骤：

4.一种胶体光子晶体结构色的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用权利要求1～3任一项所述的胶体光子晶体墨水在基底表面打印液滴，所述液滴在所述基底表面形成图案化表面，得到图案化基底；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述图案化打印采用电流体喷墨打印设备的打点模式进行，每滴液滴的直径为200～600μm。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电流体喷墨打印的条件包括：占空比为50％，偏置电压为800v，幅值为800v，频率为200hz。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述蒸发自组装的温度为30℃，相对湿度为60％。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述基底为硅片；所述图案化打印之前，还包括将所述基底进行疏水处理，所述疏水处理包括以下步骤：采用氧气对所述基底进行等离子体处理，得到等离子体处理的基底；

9.权利要求4～8任一项所述的制备方法制备得到的胶体光子晶体结构色，其特征在于，所述胶体光子晶体结构色由微穹顶单元构成。

10.根据权利要求9所述的胶体光子晶体结构色，其特征在于，所述微穹顶单元的高径比为0.35，所述微穹顶单元的底面直径为20～40μm。

技术总结本发明属于结构色技术领域，具体涉及一种胶体光子晶体墨水、一种胶体光子晶体结构色及其制备方法。本发明提供的制备方法通过调整胶体光子晶体墨水的表面张力和粘度，使其适合于图案化打印；然后，本发明提供的胶体光子晶体结构色的制备方法，一方面采用经过疏水处理(OTS处理)后的基板，可以减少三相线的钉扎，促进纳米颗粒向内运动，促进有序紧密自组装；另一方面通过倒置蒸发自组装的方法，增强了马尼戈拉流，促进纳米颗粒向内运动，促进有序紧密自组装过程，从而使胶体光子晶体微穹顶具有更高的高径比，从而提高结构色亮度和饱和度，为结构色颜色质量优化提供了一种新的方法。技术研发人员：葛孔禹,冯欢欢,高逸凡,易鸿宇,张真,李战受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）技术研发日：技术公布日：2024/6/26