一种基于空隙-粒子共同诱导的多模式反射/透射三向色膜的制备方法及应用

本发明涉及结构色领域，特别是一种反射/透射结构色膜的制备及应用。

背景技术：

1、结构色来源于光波与光子微纳结构产生的干涉、衍射、散射等一种或几种相互作用，因其绚丽的颜色现象、优异的抗褪色性能和安全环保等特性，受到人们的广泛关注。目前研究最为广泛的是具有等离子体共振效应的金属颗粒和具有米氏散射效应的介电纳米颗粒。以金属颗粒或介电纳米颗粒为构筑单元的一系列精心设计的光子微纳结构，可以产生许多独特非凡的光学现象，如三向色、不对称结构色、漫射虹彩色和超高分辨率结构色。这些非凡的颜色在防伪/加密、成像传感器、滤光片和彩色显示器等多个领域展示出巨大的应用前景。

2、宋等人采用激光刻蚀技术实现了全介电tio2的超表面结构，可产生具有亮丽、高对比度和高分辨的全色域的结构色，这对实现高对比度/高亮度的光学显示成像和数据储存等具有重要意义(参见文献acs nano 2017,11(5),4445-4452)。此外，武等人通过在镀铝的柔性薄膜上制备无序zns微球可以实现镜面/漫反射双模式虹彩效果，并进一步应用于多色柔性防伪标签(参见文献chem.eng.j 2024,489,151277)。虽然金属纳米粒子和介电纳米粒子阵列产生的独特结构颜色已经得到了广泛的研究，但大多数基于粒子的颜色产生机制主要依赖于粒子本身的共振及其增强，而忽略了整体结构的影响，如无序粒子团簇的结构贡献和衬底效应。此外，目前对结构色的研究大多集中在反射光路上，并且所设计的光学结构总是需要一定的厚度周期或不透明的基片才能达到期望的反射色效果，从而导致透射色经常被牺牲或忽略。因此，利用常规的微纳结构及其生色机制同时实现亮丽的多模式的反射和透射结构色仍然是一个挑战。

技术实现思路

1、为了解决现有技术问题，本发明提供一种基于无序纳米材料“空隙-粒子”共同诱导的多模式反射/透射三向色膜的制备方法及应用。本发明通过涂覆法(例如快速喷涂法)将具有强mie散射效应的介电纳米粒子随机地分布在干净且透明的基材上，实现对透明基材表面的部分覆盖，通过在粒子与粒子空隙的共同诱导作用下，通过改变观察方向，最终得到同时具有粒子侧的反射结构色、基材侧的反射结构色和透射结构色的三种结构色的光学器件。在该光学结构中，粒子侧的反射模式下会出现两个反射峰：除了常规的粒子之间的mie共振峰外，在粒子间的空隙中还会因从基地表面反射和粒子层表面反射的两束光发生干涉而产生一种新型共振峰。相比之下，基材侧的反射模式下仅存在一个粒子之间的mie共振峰。此外，本发明所设计的粒子部分覆盖的独特光学结构，使得光束在粒子侧或基材侧的透射模式下仅存在一个明显的mie共振峰。最终，成功地得到同时具有亮丽颜色的多模式的反射/透的三向色膜。更重要的是，随着观察视角的变化，观察到独特的颜色视觉外观：彩虹色的反射色和固定不变的透射色，进一步证实了基于粒子空隙与粒子共同诱导的生色机制。此外，通过改变介电粒子的粒径，可得紫/青/蓝、蓝/绿/青、绿/橘/深绿、黄/淡黄/墨绿、橘/浅橘/黄等多种反射/透射颜色的三向色膜。该三向色膜可与商业投影灯相兼容，成功实现了大面积彩色图案的远程投影显示(放大20倍)。本发明具有简便、绿色、可大规模生产的优点，可同时实现独特的多模式反射/透射三向色膜，在投影屏幕、智能窗户、防伪和大型户外玻璃装饰方面显示出巨大的应用前景。

2、本发明提供一种基于无序纳米材料“空隙-粒子”共同诱导的多模式反射/透射三向色膜的制备方法，所构筑的三向色膜是由透明基材和具有米氏散射效应的单分散介电纳米粒子以无序且部分覆盖的形式分布在透明基材上构成的粒子层。所述的三向色膜可通过透明基材与粒子、透明基材与粒子空隙的共同诱导下，通过改变观察方向(0°到60°)或光束的照射方向(观察方向的同侧或异侧)，同时实现粒子侧的反射结构色、基材侧的反射结构色和透射结构色的三向色。

3、进一步地，所述的三向色膜的粒子层由一层或两层单分散介电纳米粒子无序堆叠组成且粒子之间存在一定的空隙。

4、进一步地，所述的粒子层厚度为0.1-1.5微米。

5、进一步地，所述的多模式反射/透射三向色膜可与商业投影灯配合使用，通过对三向色膜放大，可成功实现大面积彩色图案的远程投影显示(例如，图案面积放大为20倍)。

6、进一步地，所述的介电纳米粒子，包括cu2o、zno、cds、ceo2、zns或tio2纳米粒子中的一种或两种以上，所述纳米粒子的粒径为100-1000nm。

7、进一步地，所述的介电纳米粒子包括单晶或多晶结构中的一种。

8、进一步地，所述的介电纳米粒子为球体、八面体、十四面体、二十六面体、立方体纳米粒子中的一种。

9、进一步地，所述的透明基材，包括透明玻璃、透明pet膜、透明树脂膜、透明塑料膜、透明碳化硅膜、透明水晶、透明石英、透明聚酰亚胺的一种；所述的透明树脂膜中的树脂，包括丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯膜中的一种；所述的透明塑料膜中的塑料，包括透明尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-苯乙烯共聚物中的一种。

10、本发明还提供了上述多模式反射/透射三向色膜的制备方法，包括如下步骤：

11、将纳米粒子配置成纳米粒子分散液，采用外力诱导的方法将纳米粒子分散液紧密且均匀分布在干净且透明基材表面，经过自然风干或烘干后，得到具有颜色亮丽的反射色和透射色的结构色膜。

12、进一步地，所述纳米粒子分散液的质量分数为0.5-20％，溶剂为水、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、环己烷、乙酸乙酯中的一种或几种。

13、进一步地，所述外力诱导方法包括涂覆法，将纳米粒子分散液涂覆在透明衬底表面，具体包括喷墨打印法、刮涂法及喷涂法中的一种。

14、进一步地，以透明基材面积计，纳米粒子分散液的用量为20-500μl/cm2。

15、进一步地，所述多模式反射/透射三向色膜，在反射模式下会出现两个反射峰：除了常规的粒子之间的mie共振峰外，在粒子间的空隙中还会因从衬底表面反射和粒子层表面反射的两束光发生干涉而产生一种新型共振峰，而在透射模式下只有一个mie共振峰，因此赋予结构色膜独特的多模式的反射色和透射色三向色。

16、本发明的有益效果是：本发明可在透明基材上同时实现具有虹彩色的反射结构色、非虹彩的透射结构色的亮丽的多模式三向色。通过改变介电纳米粒子的粒径，可得紫/青/蓝、蓝/绿/青、绿/橘/深绿、黄/淡黄/墨绿、橘/浅橘/黄等多种反射/透射颜色的多种反射/透射颜色的三向色膜。随着观察视角的变化，观察到独特的颜色视觉外观：彩虹色的反射色和固定不变的透射色。该三向色膜可与商业投影灯相配合使用，成功实现了大面积彩色图案的远程投影显示。本发明具有结构简单、易于制备、绿色环保、可大规模生产的优点，可同时实现独特的反射/透射三向色的非凡颜色现象，得到的结构色膜的反射-透射的颜色多样，在投影屏幕、智能窗户、防伪和大型户外玻璃装饰方面显示出巨大的应用前景。

技术特征：

1.一种基于无序纳米材料“空隙-粒子”共同诱导的多模式反射/透射三向色膜的制备方法及应用，其特征在于，所构筑的三向色膜是由透明基材和具有米氏散射效应的单分散介电纳米粒子以无序且部分覆盖的形式分布在透明基材上构成的粒子层；所述的三向色膜可通过透明基材与粒子、透明基材与粒子空隙的共同诱导下，通过改变观察方向或光束的照射方向，可同时实现粒子侧的反射结构色、基材侧的反射结构色和透射结构色的三向色。

2.根据权利要求1所述的基于无序纳米材料“空隙-粒子”共同诱导的多模式反射/透射三向色膜，其特征在于，所述的三向色膜的粒子层由一层或两层单分散介电纳米粒子无序堆叠组成且粒子之间存在空隙；所述的粒子层厚度为0.2-1.5微米。

3.根据权利要求1所述的基于无序纳米材料“空隙-粒子”共同诱导的多模式反射/透射三向色膜，其特征在于，所述的介电纳米粒子，包括cu2o、zno、cds、ceo2、zns或tio2纳米粒子中的一种，所述纳米粒子的粒径为100-1000nm。

4.根据权利要求1所述的基于无序纳米材料“空隙-粒子”共同诱导的多模式反射/透射三向色膜，其特征在于，所述的介电纳米粒子包括单晶或多晶结构中的一种；所述的介电纳米粒子为球体、八面体、十四面体、二十六面体、立方体纳米粒子中的一种。

5.根据权利要求1所述的基于无序纳米材料“空隙-粒子”共同诱导的多模式反射/透射三向色膜，其特征在于，所述透明基材包括透明玻璃、透明pet膜、透明树脂膜、透明塑料膜、透明碳化硅膜、透明水晶、透明石英、透明聚酰亚胺的一种；所述的透明树脂膜中的树脂包括丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯膜中的一种；所述的透明塑料膜中的塑料包括透明尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-苯乙烯共聚物中的一种。

6.权利要求1-5中任一项所述的基于无序纳米材料“空隙-粒子”共同诱导的多模式反射/透射三向色膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述纳米粒子分散液的质量分数为0.5-20％，溶剂为水、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、环己烷、乙酸乙酯中的一种或几种。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述外力诱导方法包括喷墨打印法、刮涂法及喷涂法中的一种。

9.权利要求1-5中任一项所述的多模式反射/透射三向色膜在投影屏幕、智能窗户、防伪和户外玻璃装饰方面中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述的三向色膜可与投影灯配合使用，实现大面积彩色图案的远程投影显示。

技术总结本发明提供一种基于无序纳米材料“空隙‑粒子”共同诱导的多模式反射/透射三向色膜的制备方法及应用，属于结构色领域。通过将具有强Mie散射效应的介电纳米粒子随机地无序分布在干净且透明的基材上，实现对透明基地表面的部分覆盖，通过在粒子与粒子空隙的共同诱导作用下，通过改变观察方向，可同时实现多模式性的反射结构色和透射结构色的三向色。本发明具有结构简单、易于制备、绿色环保、可大规模生产的优点，得到的这种反射/透射三向色的非凡颜色现象，在投影屏幕、智能窗户、防伪和大型户外玻璃装饰方面显示出巨大的应用前景。技术研发人员：武素丽,韩亚群,胡敬元,吴文博受保护的技术使用者：大连理工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4