用于包封用于动态和响应性颜色介质的光子纳米晶体的系统和方法

用于包封用于动态和响应性颜色介质的光子纳米晶体的系统和方法1.相关申请的交叉引用本技术要求2019年2月18日提交的美国临时申请62/806,994的权益，所述临时申请以引用的方式整体结合到本文中。技术领域2.本公开总体上涉及一种用于包封用于动态和响应性颜色介质的光子纳米晶体的系统和方法。背景技术：3.光子晶体是通过衍射过程展示颜色的材料，所述衍射过程是不同于传统染料和颜料的独特物理机制。光子晶体的衍射提供优于传统颜料的一系列优点，例如由不易受例如染料和颜料中可能发生的相同“脱色”现象影响的单一材料产生颜色谱。这允许制造可以用于许多不同颜色并且具有相对较长寿命的单一材料。然而，工业上尚未实现光子晶体的使用，因为它们的使用仍然存在障碍。4.利用光子晶体以产生响应性和固定或可调的颜色。可以将这些光子晶体制成1d、2d或3d结构以产生各种颜色或角度特性。使用聚合物或氧化物材料例如二氧化硅固定在适当位置的磁铁矿纳米粒子的直链产生1d光子晶体，其中从链的尖端可以观察到明亮的衍射颜色，相比之下，从垂直于链的位置没有观察到颜色。美国专利公开号2014/0004275a1中公开了光子晶体的用途，所述光子晶体由于其“开”和“关”状态而具有用于墨水的潜力，由于在光子晶体中使用了磁铁矿，可以用磁场操纵所述“开”和“关”状态。类似地，排列的纳米颗粒的2d和3d晶格结构可以用于产生更大量的用于衍射的晶面，取决于纳米颗粒结构单元，具有在每个晶面上产生不同的颜色的潜力。5.为了使光子晶体具有动态范围的颜色和响应性，必须允许光子晶体在其所储存的介质内旋转、移动位置或改变尺寸。对于许多施加颜色的应用，颜料和染料被捕集到干燥的固体或硬化介质中。在光子晶体由于其动态颜色特性而使用的情况下，有待认可一种新的介质，其中可以在储存介质内容易地操纵光子晶体的几何形状。允许这种情况的一种方案是乳液体系，其中含有光子晶体的悬浮液滴被锁定在干燥的成膜剂内。然而，传统的成膜混合物被设计成聚结，因为发生溶剂蒸发以形成固体膜。这种机制与在成膜期间保存乳液直接冲突，使得大多数现有产品不能用于具有动态和响应性光子晶体颜色的系统。为了保存乳液，必须在含有光子晶体的悬浮液滴周围形成壳或胶囊壁。在壳壁的存在下，聚结机制得以抑制，同时成膜混合物继续其正常干燥过程，有效地将胶囊密封到膜中。6.利用微胶囊来包封材料和保存化学环境是已知的，例如参见美国专利号2,897,165。微胶囊主要用于递送可能具有差溶解度的药物或农用化学品，例如参见美国专利号4,534,783。最近，将微胶囊用于产生用于化学储存、反应和功能环境的受限化学环境。反射式电子墨水显示器利用微胶囊来产生像素，其中材料可以迁移通过溶液并响应于电场，尽管它们没有被密封到膜中，而是夹在固体层之间。(例如参见美国专利号6,120,839和6,262,833)。正在开发具有微胶囊的自修复漆，所述微胶囊含有结合在其中的聚合物前体，使得当保护漆层破裂时，胶囊释放其内容物以修复表面损伤，例如参见美国专利号7,723,405b2。7.一种涉及将乳液液滴捕集在固体中的类似的产生密封化学环境的方法在窄类别的化学混合物内存在。在这种方案中，快速聚合技术可以在固化时保存乳液，而不需要壳壁或胶囊的帮助。固化机制在避免聚结和保存悬浮液方面是至关重要的，并且不能是简单的溶剂蒸发技术。例如，有机硅可以快速地固化成固体，所述有机硅是一种独特的聚合物，其可以与各种溶剂不混溶。一些有机硅的粘度足以形成在有机硅的固化时间长度上稳定的乳液，从而能够捕集悬浮的液滴。然而，这种方法具有许多缺点，主要问题是其具有有限的化学相容性，这意味着仅某些化学品可以以这种方式使用，并且那些化学体系可能与待捕集的化学或材料体系不相容。乳液固化体系对于产生薄膜也不理想，并且更适用于较厚的介质，而成膜树脂或聚合物溶液可以产生薄得多的膜，并且具有集成到其中的微胶囊。此外，有机硅乳液依赖于粘度而不是稳定化表面活性剂，这意味着对产生和捕集的液滴的尺寸和均匀性几乎没有控制。8.除了保存乳液体系的各种方法之外，化学体系还必须理想化以与目标光子晶体一起使用。尽管不是必需的，但许多目标纳米材料含有硅酸盐和/或金属氧化物。在这两种情况下，材料在某些溶剂环境例如水相中易于氧化和/或溶解。从长期稳定性的观点来看，这是一个缺点，因为如果没有仔细地控制光子晶体的化学环境，则光子晶体的活性/行为可能更快地衰减。技术实现要素：9.考虑到上述问题，希望有一种允许多种化学体系并且可以大大改进光子晶体的性能和适用性的系统和方法。例如，具有可以悬浮到大多数溶剂相中的壳壁的胶囊可以使用极性核相和非极性核相两者来制备，从而赋予胶囊相对更大范围的可定制性和对各种基底的适用性。10.根据一个示例性实施方案，本公开涉及一种将光子晶体包封在固体膜或基底内的系统和方法，使得包封的纳米材料保持其液体分散状态，并且能够在其密封的胶囊内自由移动，而所述胶囊本身在所述固体基底内保持静止。所述包封的光子晶体可以由一系列的纳米材料结构单元组成，所述纳米材料结构单元能够借助于施加的外部能量源，例如磁场或电场形成颜色。11.公开了一种用于产生动态和响应性颜色介质的方法，所述方法包括：将纳米材料包封在胶囊内以形成包封的光子晶体；以及将所述包封的光子晶体分散在膜或基底内，其中所述包封的纳米材料保持液体分散状态且能够在所述胶囊内自由移动，并且所述含有光子晶体的胶囊在所述膜或基底内保持静止。12.公开了一种用于产生动态和响应性颜色介质的方法，所述方法包括：将光子材料分散在溶剂中，所述光子晶体被包封在材料壳中，形成微胶囊，所述材料壳充当屏障，其保护光子材料‑溶剂分散体免受相力学和外部环境的影响；将所述光子材料‑溶剂分散体与成膜剂或基底混合；以及将具有所述成膜剂或基底的光子材料‑溶剂分散体施加到物体上并干燥或固化具有成膜剂或基底的光子材料‑溶剂分散体，以将光子材料密封在硬化的膜或基底中。13.公开了一种用于产生动态和响应性颜色介质的系统，所述膜或基底包括：包封在胶囊内以形成包封的光子晶体的纳米材料；并且其中所述包封的光子晶体分散在膜或基底内，并且其中所述包封的纳米材料保持液体分散状态且能够在所述胶囊内自由移动，并且所述含有光子晶体的胶囊在所述膜或基底内保持静止。14.应当理解，前面的一般描述和下面的具体实施方式都是示例性和说明性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。附图说明15.包括附图以提供本发明的进一步理解，并且将其结合在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出本发明的实施方案，并且与本说明书一起用于解释本发明的原理。16.图1a是具有随机取向的不展示衍射的光子晶体的平衡“关”状态的图示；图1b是根据一个示例性实施方案，在磁场存在下光子晶体取向的图示，光子晶体链平行于磁场排列并衍射光，展示取决于链内光子晶体的磁铁矿纳米粒子间距和尺寸的颜色；图2是根据一个示例性实施方案的具有蓝色染料以改进对比度的红色光子晶体链的图示；图3是根据一个示例性实施方案的膜的图示。具体实施方式17.现在将详细提及本发明的优选实施方案，其实例在附图中示出。在可能的情况下，在附图和本说明书中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部分。18.本公开涉及在固体膜和/或基底中产生和使用包封的光子晶体的系统和方法。在需要动态、响应性或可调的颜色特性的情况下，可以使用这种含有光子晶体的胶囊的膜和基底。例如但不限于用于个人定制的变色膜，用于位置感测(例如在球相对于边界着地的运动中)或用于反射式显示(例如无化学品的标记板或全色范围电子墨水屏幕)的涂层。19.根据一个示例性实施方案，将分散在溶剂中的光子晶体包封在材料壳中，所述材料壳充当屏障并且保护材料‑溶剂分散体免受固相力学和外部环境的影响。微胶囊可以与一系列的成膜剂或基底混合，然后如果需要可以将其施加到物体上并干燥或固化，将微胶囊捕集和进一步密封在硬化的膜或基底中。20.根据一个示例性实施方案，可以保存光子晶体的包封的液体分散体以允许光子晶体的动态响应性和可调的颜色特性。光子晶体可以由外部刺激操纵，所述外部刺激被定义为能够激活光子晶体的任何力(例如磁场或电场)。内相的组成可以广泛地变化，以便调整光子纳米材料的行为，包括但不限于响应和弛豫时间、颜色和颜色范围以及刺激特异性。对光子晶体的行为有影响的物理特性可以包括粘度、电导率、折射率和极性。21.根据一个示例性实施方案，纳米材料可以是例如由二氧化硅涂覆的fe3o4纳米团簇的豌豆荚结构链，当基于单独链内fe3o4团簇的尺寸和分隔距离排列时，其展示预定的颜色。(例如参见yin等人，j. mater. chem. c, 2013, 1, 6151，其以引用的方式整体结合到本文中)。这些1d光子晶体链可以通过使用外部能量源操纵它们的取向而被打到“开”和“关”。当将这些链包封和密封到固体膜或基底中时，所得材料具有感测特性，使得其可以通过展示局部的、瞬时的变色来检测能量源的存在。22.图1a和图1b显示在磁场的存在下，在平衡“关”状态和“开”状态两者下，光从具有包封的光子晶体链的膜的表面衍射的示意图。图1a是具有不展示衍射的随机取向的光子晶体链的平衡“关”状态的图示。如图1b中所示，在外部源(例如磁场)的存在下，光子晶体链平行于磁场排列并衍射光，展示取决于链内磁铁矿纳米粒子间距和尺寸的颜色。23.取决于胶囊内的内相的所选择的粘度和分散剂组成，局部变色可以是永久的或在一段时间(例如数秒、数分钟或数小时)后恢复到其平衡“关”状态。24.根据一个示例性实施方案，可以通过在光子晶体链的二氧化硅层、胶囊或成膜基底内结合染料来调节包封的浆料/漆膜的平衡态的颜色。对平衡状态颜色的调节也可以用作改进局部“开”状态颜色和周围“关”状态颜色之间的对比率的方法。图2显示具有染料以改进光子晶体链的对比度的胶囊。25.根据一个示例性实施方案，所实现的胶囊浆料可以容易地与基底前体混合，以将胶囊的动态颜色特性赋予所讨论的基底。基底前体的实例可以包括成膜溶液，其包含水基漆或干燥聚合物，固化基底，例如自由基引发的聚合或热处理的热塑性塑料，或结合到例如纤维或弹性体的材料的工业生产中。根据一个示例性实施方案，漆可以是水基漆，例如丙烯酸漆。26.根据一个示例性实施方案，本公开可以用作标记漆。例如，在运动时，可以用结合胶囊的漆涂覆比赛场地。然后，比赛场地可以表现为传感器，标记发生了与特定比赛物体(例如球)的接触的位置，然后在所选择的时间间隔之后消失。图3显示具有可见标记的干燥的标记漆样品的照片。例如，由于网球可能是一种充斥着涉及边界裁定的争论的体育运动，所以网球是许多直接受益于所述产品的体育运动之一。其他市场也可以从这种技术中受益，例如具有磁性笔的不含化学品的绘图板，所述磁性笔从来不会耗尽墨水或将溶剂脱气到局部环境中。27.方法：包封程序：实施例1：非极性核相：通过在密封的玻璃小瓶中分散在12.5 ml乙醇和0.5 ml 28‑30%氢氧化铵溶液的混合物中，fe3o4@sio2光子晶体的二氧化硅表面用十八烷基三甲氧基硅烷(odtms)官能化。在搅拌时添加150 μl odtms，并且在1.5小时(hrs)内升温至回流，伴随偶尔的超声处理。将疏水性光子晶体(hpc)磁性分离并且用己烷洗涤。然后将hpc分散在1 ml在轻质石蜡油中的含有9 wt%无灰分散剂(rb‑ads‑1000)的表面活性剂混合物中。28.此时可以将颜料或染料添加到核相中以根据需要改变平衡状态颜色。29.通过脲醛胶囊包封核相：将0.083 g间苯二酚和0.833 g尿素溶解到25 ml在水中的3.33 wt%聚(乙烯‑alt‑马来酸酐)中。一旦溶解，则通过添加6 m氢氧化钠溶液将溶液滴定至ph 3.35。在450 rpm的机械搅拌下，添加4 ml核相溶液，并使混合物乳化10分钟。然后，添加2.27 ml的37%甲醛溶液，并在60分钟内使溶液升至55℃并在此温度下另外保持3小时。随着脲醛纳米颗粒的形成和脲醛壳的生长，溶液变成白色浑浊的。一旦反应完成，就用水稀释溶液，并且将胶囊分离且用水洗涤数次，直到微胶囊浆料不含uf纳米颗粒和过量的表面活性剂。30.将微胶囊浆料浓缩，并准备与所需的成膜材料或溶液混合。31.光子晶体具有破坏或至少支持传统染料和颜料工业的潜力。染料和颜料具有固有的局限性，因为它们经历物理过程以产生易于“脱色”的颜色，并且所述颜色将随时间而褪色。光子晶体改进了颜色的寿命，因为它们产生颜色的物理机制在根本上不同并且依赖于光衍射而不是光吸收。这种衍射机制不易脱色，且因此可以显著地改进颜色的寿命并减少褪色。此外，光子晶体具有独特的颜色特性，使得一种材料可以被制成在光谱上产生任何数量的颜色，而染料和颜料并非如此，染料和颜料具有具体颜色并且必须彼此混合才产生另外颜色。一些光子晶体可以是从所有视角提供平色或本质上是高度结晶的并且具有取决于视角的颜色的无序材料阵列。后一角度依赖性允许操纵这些晶体以适应它们的环境并对它们的环境作出反应，并且变成一种类型的传感器。如这里所述，通过使用磁场旋转胶囊内的晶体，光子晶体可以在平衡“关”状态和亮色“开”状态之间切换。32.材料或液体的包封在工业中是普遍的，并且将在可预见的将来继续。根据一个示例性实施方案，所述技术允许受控地分离两个液体相，以实现可能不易于组合的材料的一些处理或整合。利用光子晶体的现有技术已经使用了包封技术，以产生固定颜色的光子晶体球，或者用于光子晶体组分/单体的储存隔室，但是不保存悬浮液态的光子晶体，使得它们可以在固体基底中保持活性，这正是本文所证明的。33.根据一个示例性实施方案，公开了一种磁场响应性涂料，其可以包含例如单一类型的光子晶体、纳米链，并且具有一系列的固定颜色。34.如本文所用，以单数叙述且前面有词语“一个”或“一种”的元件或步骤应理解为不排除多个元件或步骤，除非明确地叙述了这种排除。此外，对本公开的“示例性实施方案”或“一个实施方案”的提及并非旨在解释为排除还结合了所叙述的特征的另外实施例的存在。35.本文件所附的专利权利要求并非旨在根据35 u.s.c.ꢀ§112(f)解释，除非明确地叙述了传统的手段加功能(means‑plus‑fuction)用语，例如在权利要求中明确地叙述的“用于……的手段”或“用于……的步骤”。36.本领域的技术人员将显而易见，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明的结构进行各种修改和变化。鉴于上述内容，本发明旨在涵盖本发明的修改和变化，只要它们落入所附权利要求及其等效物的范围内。