CN102822085B

CN102822085B - 磁可调谐光子晶体在非极性溶剂中的组装

Info

Publication number: CN102822085B
Application number: CN201080018370.8A
Authority: CN
Inventors: Y·殷; J·葛
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: KR20110129420A; CA2753359A1; EP2398734A4; US20120061609A1; US9862831B2; KR101716517B1; JP2012518811A; CN102822085A; EP2398734B1; WO2010096203A2; EP2398734A2; CA2753359C; JP5886631B2; WO2010096203A3

Abstract

一种通过使用电荷控制剂建立长程静电斥力，在非极性溶剂中将超顺磁性胶体组装成具有磁可调谐光子属性的有序结构的方法。由引入电荷控制剂例如AOT分子得到的反胶团可增强正十八烷基三甲氧基硅烷改性的Fe₃O₄SiO₂粒子表面上的电荷分离。显著提高的长程静电排斥可平衡磁诱导的吸引，并因此使得超顺磁性胶体在非极性溶剂中能够有序。该体系具有对外部磁场的快速和完全可逆的光学响应、性能的长期稳定性以及良好的衍射强度。

Description

磁可调谐光子晶体在非极性溶剂中的组装

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年2月23日提交的第61/154,659号美国临时专利申请和2009年2月23日提交的第61/154,717号美国临时专利申请的优先权，上述申请通过该引用以其整体结合到本文中。

技术领域

本发明涉及一种在非极性溶剂中建立长程静电斥力的方法和体系，其使得超顺磁性胶体能够组装成具有磁可调谐光子属性的有序结构。

背景

可认识到，研究人员过去已经合成了能形成有序结构的磁铁矿纳米粒子。例如，利用单一材料动态调谐结构色已通过对超顺磁性胶体纳米晶簇(CNC)溶液施加外部磁场证明，参见例如Ge，J.，Hu，Y.和Yin，Y.，Highlytunablesuperparamagneticcolloidalphotoniccrystals(高度可调谐的超顺磁性胶体光子晶体)，Angew.Chem.Int.第46版，7428-7431(2007)。这些有序结构衍射光从而产生各种颜色，其中颜色的波长取决于有序结构中纳米晶体的间距。间距可通过改变纳米粒子的属性调谐，例如，可改变CNC的光子带隙以利用快速响应时间覆盖整个可见光谱，如Ge，J.和Yin，Y.，Magneticallytunablecolloidalphotonicstructuresinalkanolsolutions(链烷醇溶液中的磁可调谐胶体光子结构)，Adv.Mater.20，3485-3491(2008)所述。然而，该特征在制造业中成本效益合算和可衡量的实施将大大简化多色商品例如电子设备、显示器和传播媒介(vehicle)的生产。

此外，使用纳米晶体的在前研究传统上局限于使用极性溶剂。因此，也将非常有利的是，能够使用这些材料在与制造和加工技术相适合的非极性溶剂中研究。

本发明在此描述包含能够用于非极性溶剂的改性纳米粒子的组合物、与溶剂组分联合的改性纳米粒子以及制备和使用这些组合物的方法。

概述

依据一个例示性实施方案，一种形成衍射光以产生颜色的有序结构的方法，包括：用疏水涂层涂覆多个纳米粒子使得纳米粒子可溶于非极性溶剂溶液中；和将电荷控制剂加入非极性溶剂溶液中，其中电荷控制剂增强纳米粒子间的电荷分离，以形成具有可调谐的粒子分离的有序结构。

依据另一个例示性实施方案，一种形成衍射光以产生颜色的有序结构的方法，包括：用疏水涂层涂覆多个磁铁矿晶体使得晶体可溶于非极性溶剂溶液中；和将表面活性剂加入非极性溶剂溶液中，其中表面活性剂增强晶体间的电荷分离，以形成具有可调谐的粒子分离的有序结构。

本公开的一个或多个实施方案的细节示于附图和下文说明。其它特征、目的和优点根据说明书和附图以及权利要求将显而易见。

附图简述

附图被包括以提供本发明的进一步理解，且并入和构成本说明书的一部分。附图阐述本发明的实施方案，并与说明一起用于解释本发明的原理。附图中，

图1显示通过引入电荷控制剂丁二酸双(2-乙基己基)酯磺酸钠(AOT)在非极性溶剂中超顺磁性胶体表面产生负电荷(左)，和当施加外部磁场时这种带电粒子组装成可调谐的光子结构(右)的示意图。

图2显示在163-nm(115/24-nm)Fe₃O₄SiO₂粒子的1，2-二氯苯(DCB)溶液中的正十八烷基三甲氧基硅烷(ODTMS)响应于具有通过改变磁铁-样品距离实现的不同强度的外部磁场的反射波谱；其中，当距离以0.2cm的步长从4.3cm减至2.3cm时，衍射峰蓝移；和其中插图显示在具有两种不同强度的磁场中衍射绿光和红光的DCB溶液的数码照片。

图3a和3b分别显示含有167-nm(103/32-nm)Fe₃O₄SiO₂粒子以及(a)0mg和(b)1mgAOT的1.5mLDCB溶液响应于具有不同强度的外部磁场的反射波谱。

图3c和3d显示在具有5种不同强度的磁场中(c)衍射波长和(d)强度对AOT浓度的依赖性。

图4显示依据一个例示性实施方案磁场强度对所用NdFeB磁铁的样品-磁铁距离的依赖性。

图5显示通过施加280V电压跨越含有粒子和AOT二者的溶液在DCB中进行的ODTMS改性的Fe₃O₄SiO₂胶体的电泳，其中电压通过两个浸入的不锈钢电极施加，且其中在大约10分钟后，在阳极上出现褐色的Fe₃O₄SiO₂粒子沉积物，而阴极仍然干净，这表明二氧化硅表面带负电荷。

图6显示137-nm(96/20.5-nm)Fe₃O₄SiO₂粒子的DCB溶液响应于具有通过改变磁铁-样品距离实现的不同强度的外部磁场的反射波谱；当距离以0.2cm的步长从3.5cm减至1.7cm时，衍射峰蓝移；和其中插图显示在具有两种不同强度的磁场中衍射蓝光和绿光的DCB溶液的数码照片。

图7显示182-nm(116/33-nm)Fe₃O₄SiO₂粒子的DCB溶液响应于具有通过改变磁铁-样品距离实现的不同强度的外部磁场的反射波谱；当距离以0.2cm的步长从3.5cm减至1.7cm时，衍射峰蓝移；和其中插图显示在具有两种不同强度的磁场中衍射红光和红外光的DCB溶液的数码照片。

图8显示含有167-nm(103/32-nm)Fe₃O₄SiO₂粒子和0-32mgAOT的1.5mL(毫升)DCB溶液响应于具有不同强度的外部磁场的反射波谱。

图9显示在各含4mgAOT的1.5mL有机溶剂中组装的143-nm(90/26.5-nm)Fe₃O₄SiO₂粒子的反射波谱；其中DCB、甲苯和己烷、THF溶液的衍射是在325高斯的磁场中测量，而氯仿溶液的衍射是在134高斯的磁场中测量。

图10显示用于在图9所示不同溶剂中组装光子晶体的Fe₃O₄SiO₂胶体的典型TEM图，其中尺寸分布的统计结果表明Fe₃O₄核的直径是89.6±9.2nm，而Fe₃O₄SiO₂核/壳胶体具有143.1±10.7nm的平均直径。

详述

本发明涉及能够形成衍射光以产生颜色的有序结构的纳米粒子的用途，该纳米粒子下文称为“纳米粒子”。

依据一个例示性实施方案，本发明由以下组成：在疏水涂层中涂覆磁铁矿晶体使得其可溶于非极性溶剂，和将表面活性剂加入溶液中，该表面活性剂影响电荷使得粒子具有适当的斥力以形成有序结构。

可认识到，疏水涂层可通过用疏水物质直接涂覆纳米粒子获得。例如，依据一个例示性实施方案，表面活性剂可与纳米粒子直接连接，以获得在非极性溶剂中的溶解性。依据一个备选实施方案，脂肪醇可通过酯化反应与聚丙烯酸连接，以直接使粒子疏水。依据另一例示性实施方案，可将原始的封端配位体和连接有机硅烷直接移动到纳米粒子表面。

也可通过多层方法使纳米粒子在疏水溶剂中可溶。例如，中间层可与纳米粒子表面结合，然后疏水材料可与中间层连接。依据一个例示性实施方案，中间层是能够与磁铁矿晶体和疏水材料结合的任何材料。例如，中间层可包含无机氧化物和聚合物两者。依据一个例示性实施方案，可要求它们能在磁铁矿粒子表面形成涂层，并在非极性溶剂中稳定。可认识到，许多反应可用于将无机氧化物与磁铁矿粒子结合，例如水解反应和沉淀反应。此外，也存在数种用聚合物壳涂覆磁铁矿粒子的方法，例如乳液聚合、分散聚合和活性聚合。

此外，包括但不限于有机硅烷的许多化学物质可用于使用疏水分子对粒子表面改性。依据一个例示性实施方案，对这些化合物的要求是，它们应当含有至少一个可与粒子表面反应以通过共价键将该分子与粒子表面连接的活性基团，且同时，它们应当含有最终使粒子可溶于非极性溶剂的疏水基团。

有机硅烷是一组可用于合宜地改变无机氧化物表面属性的化合物。取决于有机硅烷上的活性基团，多种反应可用于将有机硅烷与粒子表面连接。在下文实施例中，ODTMS包含可水解的烷氧基，其可通过醇解反应攻击表面硅烷醇。有机硅烷的其它选择包括但不限于异丁基(三甲氧基)硅烷、己基三氯硅烷、异丁基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、辛基三乙氧基硅烷、三乙氧基[4-(三氟甲基)苯基]硅烷、辛基三甲氧基硅烷。

脂肪醇也可通过表面硅烷醇基和醇的酯化反应与二氧化硅表面连接，导致形成疏水烷基链的单层涂层。一般的脂肪醇包括但不限于1-十八烷醇、1-十二烷醇、1-十六烷醇、1-十四烷醇、1-癸醇和异十八烷醇。

对于聚合物涂层，也存在多种表面改性方法，包括但不限于接枝聚合和酯化反应。

本发明进一步包括使用表面活性剂以助于实现纳米粒子的适当间距，以形成有序结构。这些表面活性剂可为任何两亲性化合物，其包含疏水基团(它们的“尾部”)和亲水基团(它们的“头部”)二者，并可在非极性溶剂中形成反胶团。它们可以是含有硫酸盐、磺酸盐或羧酸盐阴离子的阴离子化合物，例如全氟辛酸盐、全氟辛烷磺酸盐、十二烷基硫酸钠、十二烷基硫酸铵和其它烷基硫酸盐、月桂醇聚醚硫酸酯钠(sodiumlaurethsulfate)、烷基苯磺酸盐、脂肪酸盐。它们也可以是具有季铵阳离子的阳离子化合物，例如鲸蜡基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵及其它烷基三甲基铵盐、氯化鲸蜡基吡啶鎓、聚乙氧基化牛油胺、苯扎氯铵、苄索氯铵。两性离子表面活性剂例如十二烷基甜菜碱、椰油酰胺丙基甜菜碱和椰油两性甘氨酸盐(cocoamphoglycinate)也可用于此目的。表面活性剂也可包括非离子化合物，例如烷基聚(环氧乙烷)烷基酚、聚(环氧乙烷)、聚(环氧乙烷)和聚(环氧丙烷)的共聚物、烷基聚葡萄糖苷、脂肪醇和聚山梨醇酯。

实施例

场响应光子结构在包括但不限于彩色显示单元、生物和化学传感器以及有源光学组件的领域中有重要应用。依据一个例示性实施方案，通过在水溶液中组装超顺磁性氧化铁胶体粒子已完成磁可调谐光子晶体体系。可认识到，成功组装和光子属性大调谐性的关键是建立长程排斥和吸引相互作用，它们可协作使得粒子有序成为周期性结构。在水溶液中超顺磁性氧化铁粒子的情况下，外部磁场沿着场在相邻磁性粒子间诱导强的引力，将它们带至彼此接近。通过用含有高密度负电荷的聚电解质层涂覆粒子将静电斥力引至粒子。两种力达到平衡，最终将粒子组织成具有相等粒子间间隔的长链。当组装结构的周期性和入射光的波长满足布拉格条件时，发生衍射。磁场强度的变化改变引力的强度，因此改变粒子间间隔，并最终改变衍射波长。这种体系的优点包括覆盖整个可见光谱的宽调谐范围、快速和完全可逆的响应和与设备制造小型化的兼容性。

可认识到，实际应用通常要求使用非水溶剂，以得到长期的稳定性和改善的与设备制造工艺的兼容性。除了粒子的分散性外，在建立可调谐光子晶体中涉及的主要挑战是建立足够强和长程的斥力以平衡磁引力，因为静电力在非水溶剂中通常大大减小。可认识到，组装工艺也可通过利用长程静电力和短程溶剂化力延伸至链烷醇溶剂，短程溶剂化力产生于在亲水性二氧化硅覆盖的粒子表面上两个相对厚的溶剂化层的重叠。然而，可认识到，为了在非极性溶剂中建立长程静电排斥相互作用，形成表面电荷的能垒是水中的约40倍。此外，由于溶剂化层非常薄，在非极性溶剂中两个疏水表面之间的溶剂化力也可忽略。

依据一个例示性实施方案，在非极性溶剂中引入电荷控制剂，以降低电荷分离的能垒，并因此产生可抵消磁吸引以使超顺磁性胶体能够有序的长程静电排斥相互作用。

依据一个例示性实施方案，氧化铁粒子在非极性溶剂中的分散性可通过利用成熟的硅烷化学的表面改性来改善。在一般工艺中，首先合成平均直径为约163nm附近的均匀超顺磁性Fe₃O₄胶体粒子，然后用改良方法涂覆二氧化硅薄层。将Fe₃O₄SiO₂粒子风干，然后转移到正十八烷基三甲氧基硅烷(ODTMS)在1，2-二氯苯(DCB)中的溶液中。在120℃搅拌混合物3小时，使得有机硅烷的可水解烷氧基能够通过醇解反应攻击表面硅烷醇。因此，单层疏水烷基链通过共价的-Si-O-Si-键接枝到二氧化硅表面，使得粒子可分散于大多数非极性溶剂中，例如1，2-二氯苯、甲苯、氯仿和己烷。

接枝(亲水性硅烷醇消失)的程度和接枝疏水链的屏蔽能力均有助于改性Fe₃O₄SiO₂粒子在非极性溶剂中的分散性。通常，长的反应时间(例如大于3小时)和使用即使没有催化剂也有反应性的小的烷氧基(例如甲氧基)有利于高度接枝。另一方面，优选带有长烷基链的有机硅烷，因为它们可有效屏蔽未反应的硅烷醇基。在许多试验过的有机硅烷中，ODTMS提供非常有效的分散性，因为它含有小的烷氧基和相对长的烷基链。

然而，表面改性粒子在非极性溶剂(例如甲苯和己烷)中的直接组装是困难的，因为缺少强和长程的斥力来平衡磁引力。已知的是，液体中的电荷热力学由比耶鲁姆长度(Bjerrumlength)控制，该长度是两个粒子间的特征分离，在该长度，它们的库仑相互作用刚好通过热能平衡。因为非极性溶剂通常具有比极性溶剂低得多的介电常数和高得多的比耶鲁姆长度，所以电荷分离非常困难且能耗高，导致普遍预期在非极性溶剂中静电排斥是可忽略的。然而，依据一个例示性实施方案，将电荷控制剂或表面活性剂加入非极性分散体中可产生直径几纳米的小反胶团，其通过稳定它们在胶团核内的反离子来降低电荷分离的能垒和提高表面电荷。因为非极性溶剂中电荷载体的浓度实际上低，所以静电相互作用的屏蔽低且电荷相互作用的距离很长。因此，具有0.2-1.4μm屏蔽长度κ^-1的强静电排斥可通过简单地引入电荷控制剂得到。此外，一小部分胶团由于热波动自发电离，热波动有助于屏蔽较长长度量级上的粒子相互作用。因此，当加入反胶团时，非极性分散体的电荷行为开始在许多方面模拟水体系(图1)。例如，静电作用具有与根据Derjaguin、Landau、Verwey和Overbeek(DLVO)经典理论对极性液体预测的相同的功能形式，使得电荷行为可以类似于双层模型的方式描述。另外，与带高电荷的水胶体相比，粒子表面电势非常大。依据一个例示性实施方案，在非极性溶剂中，由电荷控制剂诱导的长程静电排斥可平衡磁吸引，以在非极性溶剂中组装超顺磁性胶体。

依据一个例示性实施方案，选择典型的离子型表面活性剂丁二酸双(2-乙基己基)酯磺酸钠(AOT)作为电荷控制剂。依据一个例示性实施方案，发现当加入AOT时，ODTMS改性的Fe₃O₄SiO₂胶体在大多数非极性溶剂中仍良好分散。为了定性表征诱导的表面电荷，可通过两个浸入的不锈钢电极施加电压(280V)跨越包含粒子和AOT的DCB溶液(图S2)，进行简单的电泳实验。在约10分钟后，阳极上出现褐色的Fe₃O₄SiO₂粒子沉积物，而阴极仍然干净。可认识到，该实验不仅证实了通过加入电荷控制剂AOT增强电荷分离，而且证明了二氧化硅表面也是带负电荷的。

可认识到，成功建立长程静电排斥相互作用使得通过平衡由外部磁场诱导的引力在非极性溶剂中将超顺磁性胶体组装成可调谐光子晶体成为可能。与在水溶液和链烷醇溶液中的情况相比，当前体系保持对外部场的快速和完全可逆的光学响应、长期稳定性和适当强的衍射强度。图2显示在DCB中的Fe₃O₄SiO₂光子晶体响应于变化磁场的典型反射波谱，变化磁场通过改变磁铁和样品间的距离获得。随着磁场从191高斯增至622高斯，衍射峰从665nm蓝移至564nm。与水情况相似，衍射的调谐通过粒子间距离的自动调节实现，这种调节对于改变静电排斥的强度以达到与变化的磁引力平衡是需要的。衍射峰的轮廓随着调谐磁场显示偏斜特征，这与链烷醇情况中相似，并表明除了长程静电力外短程内存在结构排斥。在非极性溶剂中光子晶体的一般调谐范围在约150nm内，这与水体系不同，不能覆盖整个可见光谱。在需要时，可组装具有不同大小的Fe₃O₄SiO₂构造单元以显示各种颜色，例如蓝-绿(图6)、绿-红(图2)和红-红外(图7)。

依据一个例示性实施方案，电荷控制剂AOT在控制超顺磁性胶体粒子的组装行为中发挥重要作用。在没有AOT的DCB溶液中，如图3a所示，疏水的Fe₃O₄SiO₂胶体可自组装成有序结构，其衍射强度在增强的外部磁场中略有增加。然而，衍射峰仍为固定波长，这表明缺少强的长程斥力。胶体粒子行为类似于硬球，从而强的排斥仅出现在它们接近于接触时，使得可以调谐粒子分离。当将AOT加入相同的溶液中时，相当多的负电荷由于增强的电荷分离而累积在粒子表面上。粒子彼此通过长程静电力相互作用，长程静电力动态平衡磁场吸引并将它们组装成具有可调谐的粒子分离的链。如图3b所示，衍射峰红移，并可通过变化外部磁场强度在约150nm的范围内调谐。

小AOT胶团在测定静电相互作用强度中起到两种作用。依据一个实施方案，胶团为表面离子提供极性环境，表面离子在纯的非极性溶剂中原本难以与胶体分离。因为胶团可通过碰撞交换其内部的内含物，所以离子可被携带至本体溶液中，留下带净电荷的胶体表面。依据另一个实施方案，AOT分子也可解离成Na⁺和反离子，它们然后通过胶团交换被分开，导致形成带电胶团。与水胶体体系中的离子相似，这些带电胶团可在非极性溶液中屏蔽静电相互作用(图1)。

两种作用可通过研究衍射波长对AOT浓度的依赖性清楚地观察到。依据一个例示性实施方案，记录了含不同AOT浓度的体系响应于外部磁场的一系列衍射波谱(图8)。数据重绘于图3C，以突出在固定磁场中衍射波长对AOT浓度的依赖性。低浓度AOT的主要作用之一是诱导粒子表面上的电荷分离，如由衍射峰显著红移所证明。当红移达到最大时，进一步增加的AOT浓度产生带自由电荷的胶团，其以类似于增加水溶液中离子强度的方式屏蔽粒子间的静电相互作用。因此，由在各浓度的黑色点和天蓝色点之间的差异所表示的衍射的调谐范围在进一步加入AOT时缩小。因此，如图3d所示，最大衍射强度可在AOT浓度增加到中间值时达到。额外的AOT将降低衍射强度，这又与将盐加入水溶液的情况一致。依据一个例示性实施方案，值得注意的是，即使屏蔽带电胶团，总的衍射强度仍显著高于无AOT的情况。

因此，已在非极性溶剂中建立长程静电斥力，使得能够将超顺磁性胶体组装成具有磁可调谐光子属性的有序结构。引入电荷控制剂(例如AOT分子)产生可增强ODTMS改性的Fe₃O₄SiO₂粒子表面上电荷分离的胶团。显著提高的长程静电排斥平衡了磁诱导的吸引，因此使得非极性溶剂中的超顺磁性胶体能够变得有序。该体系具有对外部磁场的快速和完全可逆的光学响应、性能的长期稳定性和良好的衍射强度。除了利用场响应光子属性的潜在技术应用外，该体系也可为研究基础课题(例如低介电常数溶剂中的充放电机制)提供一种合宜的定量光学方法。

实验部分

化学试剂

乙醇(变性)、氨水水溶液(28％)、甲苯(99.8％)、氯仿(99.8％)和己烷(99.9％)购自FisherScientific。四乙基原硅酸酯(TEOS，98％)、1，2-二氯苯(DCB，99％)获自Sigma-Aldrich。正十八烷基三甲氧基硅烷(ODTMS，99％)购自Gelest。丁二酸二辛基酯磺酸钠盐(AOT，96％)获自AcrosOrganics。

合成疏水的Fe₃0₄SiO₂胶体

Fe₃O₄超顺磁性核通过先前报道的高温水解反应制备。Fe₃O₄SiO₂核/壳胶体通过改良法制备。通常，将含有Fe₃O₄CNC(约25mg)的水溶液(3mL)与乙醇(20mL)、氨水(28％，1mL)在剧烈磁搅拌条件下混合。往溶液中注入TEOS(0.2mL)，使混合物反应40分钟。在用乙醇通过离心和再分散洗涤两次后，将粒子风干，然后转移到1，2-二氯苯(DCB，24mL)和正十八烷基三甲氧基硅烷(ODTMS，0.5mL)的混合物中，用N₂脱气30分钟，并加热到120℃维持3小时，以用疏水碳链使二氧化硅表面功能化。在冷却至室温后，用甲苯洗涤改性的Fe₃O₄SiO₂胶体，并将其分散于不同的非极性溶剂(一般4mL)，例如DCB、氯仿、甲苯和己烷。

磁可调谐光子晶体在非极性溶剂中的组装

依据一个例示性实施方案，DCB用作非极性溶剂的一般实例。预先制备含有不同浓度AOT的DCB(0.5mL)储备液。将疏水的Fe₃O₄SiO₂胶体的DCB溶液(1mL)与上述AOT溶液混合，形成均匀透明的分散体。通过对溶液施加外部磁场，将Fe₃O₄SiO₂胶体组装成具有光学衍射的有序结构。对其它非极性溶剂例如甲苯、氯仿或己烷，采用相似的步骤。与通常要求粒子多分散性低于2％的紧密堆积的胶体光子晶体不同，Fe₃O₄SiO₂胶体的典型大小分布将视原始Fe₃O₄胶体的大小从约5％变化至10％。二氧化硅涂覆过程通常提高样品的单分散性。因为得益于独特的链状非紧密堆积结构和高对比介电常数，这些胶体仍可形成具有强衍射强度的光子晶体。从许多关于粒径分布的统计研究(例如图10所示)及其对应的衍射图谱发现，随着粒子单分散性提高，衍射峰变窄且强度增加，这与紧密堆积胶体晶体的情况一致。

表征

使用TecnaiT12透射电子显微镜(TEM)表征核/壳胶体的形态学。将以适当浓度分散于水中的样品浇铸(cast)到碳涂覆的铜格上，接着在室温下真空蒸发。光子晶体的衍射波谱由OceanOpticsHR2000CG-UV-NIR谱仪测量，该谱仪连接有6绕1(six-round-one)的反射/反向散射探测器。在通常的测量中，将含有Fe₃O₄SiO₂胶体的非极性溶液的薄玻璃容器放置在NdFeB磁铁和反射探测器之间。探测器与玻璃容器垂直，并与磁场方向平行。反射峰用固定在离样品一定距离的磁铁测量。

应当理解，上述描述是优选实施方案的描述，因此仅表示产品及其制造方法。可认识到，鉴于以上教导，不同实施方案的诸多变化和修改对本领域的技术人员是显而易见的。因此，在不偏离所附权利要求所示的产品和方法的精神和范围的情况下，可作出例示性实施方案以及备选实施方案。

Claims

1.一种衍射光以产生颜色的有序结构的形成方法，包括：

用疏水涂层涂覆多个磁铁矿晶体，使得所述磁铁矿晶体可溶于非极性溶剂溶液中；和

将表面活性剂加入所述非极性溶剂溶液中，其中所述表面活性剂增强所述磁铁矿晶体间的电荷分离，以通过产生能抵消磁吸引以使所述磁铁矿晶体能够有序的长程静电排斥相互作用而形成具有可调谐的粒子分离的有序结构，其中所述表面活性剂是含有疏水基团和亲水基团的两亲性有机化合物并且在所述非极性溶剂中形成反胶团。

2.权利要求1的方法，其中所述表面活性剂是丁二酸双(2-乙基己基)酯磺酸钠(AOT)。

3.权利要求1的方法，所述方法还包括：

将中间层结合到所述磁铁矿晶体的表面；和

使所述疏水涂层附着到所述中间层。

4.权利要求3的方法，其中所述中间层是能够与所述磁铁矿晶体和所述疏水涂层二者结合的材料。

5.权利要求3的方法，其中所述中间层包含无机氧化物和/或聚合物。

6.权利要求1的方法，其中所述磁铁矿晶体上的涂层在所述非极性溶剂溶液中稳定。

7.权利要求1的方法，所述方法还包括进行水解或沉淀反应，以将无机氧化物结合到所述磁铁矿晶体上。

8.权利要求1的方法，其中所述用疏水涂层涂覆磁铁矿晶体的步骤通过乳液聚合、分散聚合和/或活性聚合进行。

9.权利要求1的方法，所述方法还包括用疏水分子对所述磁铁矿晶体的表面改性。

10.权利要求9的方法，其中所述疏水分子是有机硅烷。

11.权利要求10的方法，其中所述有机硅烷选自以下之一：异丁基(三甲氧基)硅烷、己基三氯硅烷、异丁基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、辛基三乙氧基硅烷、三乙氧基[4-(三氟甲基)苯基]硅烷、辛基三甲氧基硅烷。

12.权利要求1的方法，所述方法还包括通过表面硅烷醇基团与醇的酯化反应将脂肪醇连接到所述磁铁矿晶体的表面而在所述磁铁矿晶体上形成疏水烷基链的单层涂层。

13.权利要求12的方法，其中所述脂肪醇选自以下：1-十八烷醇、1-十二烷醇、1-十六烷醇、1-十四烷醇、1-癸醇、异十八烷醇。

14.权利要求1的方法，其中所述表面活性剂是含有硫酸盐阴离子、磺酸盐阴离子或羧酸盐阴离子的阴离子化合物。

15.权利要求14的方法，其中所述硫酸盐阴离子、磺酸盐阴离子或羧酸盐阴离子是全氟辛酸盐、全氟辛烷磺酸盐、十二烷基硫酸钠、十二烷基硫酸铵和其它烷基硫酸盐、月桂醇聚醚硫酸酯钠、烷基苯磺酸盐和/或脂肪酸盐。

16.权利要求1的方法，其中所述表面活性剂是具有季铵阳离子的阳离子化合物。

17.权利要求16的方法，其中所述具有季铵阳离子的阳离子化合物包括鲸蜡基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵及其它烷基三甲基铵盐、氯化鲸蜡基吡啶鎓、聚乙氧基化牛油胺、苯扎氯铵和苄索氯铵。

18.权利要求1的方法，其中所述表面活性剂是两性离子表面活性剂。

19.权利要求18的方法，其中所述两性离子表面活性剂包括十二烷基甜菜碱、椰油酰胺丙基甜菜碱和椰油基两性甘氨酸盐。

20.权利要求1的方法，其中所述表面活性剂是非离子化合物。

21.权利要求20的方法，其中所述非离子化合物包括烷基聚(环氧乙烷)烷基酚、聚(环氧乙烷)、聚(环氧乙烷)与聚(环氧丙烷)的共聚物、烷基聚葡萄糖苷、脂肪醇和聚山梨醇酯。

22.权利要求1的方法，所述方法还包括对所述有序结构施加外部磁场。

23.权利要求1的方法，其中所述有序结构是彩色显示单元、生物和化学传感器和/或有源光学组件。

24.一种衍射光以产生颜色的有序结构的形成方法，包括：

用疏水涂层涂覆多个磁铁矿晶体，使得所述晶体可溶于非极性溶剂溶液中；和

将表面活性剂加入所述非极性溶剂溶液中，其中所述表面活性剂增强所述晶体间的电荷分离，以通过产生能抵消磁吸引以使所述磁铁矿晶体能够有序的长程静电排斥相互作用而形成具有可调谐的粒子分离的有序结构，其中所述表面活性剂是含有疏水基团和亲水基团的两亲性有机化合物并且在所述非极性溶剂中形成反胶团；以及

对所述有序结构施加外部磁场从而由所述磁铁矿晶体在所述非极性溶液中的组装而使所述磁铁矿晶体组装成能衍射光的可调谐的光子结构。

25.权利要求24的方法，其中所述表面活性剂是丁二酸双(2-乙基己基)酯磺酸钠(AOT)。

26.权利要求24的方法，其中将所述表面活性剂引入所述非极性溶剂溶液中以降低电荷分离的能垒，并因此产生能抵消磁吸引以使磁铁矿晶体能够有序的长程静电排斥相互作用。

27.权利要求24的方法，所述方法还包括在涂覆磁铁矿晶体之前进行下述步骤：

合成所述磁铁矿晶体；和

用二氧化硅层涂覆所述磁铁矿晶体。

28.权利要求27的方法，其中将所述磁铁矿晶体风干，然后转移至正十八烷基三甲氧基硅烷(ODTMS)在1，2-二氯苯(DCB)中的溶液中，其中在120℃搅拌该混合物3小时，以使有机硅烷的可水解烷氧基基团通过醇解反应攻击表面硅烷醇。

29.权利要求28的方法，所述方法还包括将经涂覆的磁铁矿晶体分散于非极性溶剂溶液中。

30.权利要求24的方法，其中所述有序结构是彩色显示单元、生物和化学传感器和/或有源光学组件。

31.权利要求29的方法，其中所述非极性溶剂溶液是1，2-二氯苯、甲苯、氯仿和/或己烷。