CN108227053B - 提高非彩虹结构色色彩亮度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过将黑色纳米颗粒和石墨烯量子点引入无序光学结构中，提高非彩虹结构色色彩亮度的方法。首先，将具有不同粒径的单分散胶体微球、黑色纳米颗粒、石墨烯量子点按一定比例混合并均匀分散于水中，形成乳液；然后，通过滴涂、旋涂、浸涂、提拉、喷涂、喷墨打印等方法将上述乳液置于基底上，干燥后，便形成了具有高结构色色彩亮度的非彩虹色结构色材料。本发明的方法得到的高亮度非彩虹色结构色材料在化学/生物学传感器、反射型显示器、颜料、装饰性图层等领域具有重要的应用前景，本发明的方法还可以有效调控、增强石墨烯量子点的光致发光，推动石墨烯量子点在光学器件中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高结构色色彩亮度的方法，特别涉及一种利用黑色纳米颗粒和光致发光量子点共同作用，提高非彩虹结构色色彩亮度的图案化制备方法，属于显示材料制备技术领域。
背景技术
自然界中一些鸟类，比如斑喉伞鸟、金刚鹦鹉等具有色彩非常鲜艳的羽毛，这些鲜艳的色彩引起了科学家的广泛关注。研究发现，与传统染料、颜料的色彩不同，此类色彩是由微观上亚微米尺度的角蛋白按照不规则方式排列而引起的。像这种由特殊光学结构引起的色彩，我们称之为结构色。受这类自然界中的特殊光学结构设计所启发，科学家们通过简便的化学自组装方法在实验室中合成了众多的具有无序光学结构的非彩虹色结构色材料(M.Xiao,Z.Y.Hu,Z.Wang,Y.W.Li,A.D.Tormo,N.Le Thomas,B.Wang,N.C.Gianneschi,M.D.Shawkey,A.Dhinojwala,Sci.Adv.2017,3,e1701151；J.M.Zhou,P.Han,M.J.Liu,H.Y.Zhou,Y.X.Zhang,J.K.Jiang,P.Liu,Y.Wei,Y.L.Song,X.Yao,Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,10462；Y.Takeoka,S.Yoshioka,A.Takano,S.Arai,K.Nueangnoraj,H.Nishihara,M.Teshima,Y.Ohtsuka,T.Seki,Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,7261；D.Ge,E.Lee,L.Yang,Y.Cho,M.Li,D.S.Gianola,S.Yang,Adv.Mater.2015,27,2489；J.D.Forster,H.Noh,S.F.Liew,V.Saranathan,C.F.Schreck,L.Yang,J.G.Park,R.O.Prum,S.G.Mochrie,C.S.O'Hern,H.Cao,E.R.Dufresne,Adv.Mater.2010,22,2939)。为了消除无序光学结构对可见光的强烈非相干散射作用而引起的颜色发白现象，科学家们往往需要在无序结构色材料里引入黑色纳米颗粒，用以吸收非相干散射，从而有效提高结构色色彩的饱和度。但黑色纳米颗粒的引入往往会降低结构色色彩的亮度。为了解决这一矛盾，复旦大学的资剑教授等通过把章鱼墨汁引入无序光学结构，提高了相应非彩虹色结构色彩的亮度(Y.F.Zhang,B.Q.Dong,A.Chen,X.H.Liu,L.Shi,J.Zi,Adv.Mater.2015,27,4719)。美国宾夕法尼亚大学大学的Yang Shu等人设计、合成了表面包敷黑色聚吡咯的聚苯乙烯微球，并利于其作为组装单元制备具有高色彩对比度的结构色薄膜(X.M.Yang,D.T.Ge,G.X.Wu,Z.W.Liao,S.Yang,ACS Appl.Mater.Interfaces 2016,8,16289)。此外，还有一些科学科学家设计合成了无序多孔光学结构，通过加大反射率反差，提高了结构色色彩亮度，尤其是红色区结构色色彩的亮度(G.H.Lee,J.Y.Sim,S.H.Kim,ACSAppl.Mater.Interfaces 2016,8,12473)。但上述结构色材料在色彩亮度方面仍然十分逊色与自然界中的天然结构色材料，因此，严重限制了此类结构色材料在实际中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高非彩虹结构色色彩亮度的方法，解决了传统非彩虹色结构色彩由于黑色纳米颗粒的加起而引起的亮度严重降低的问题。
本发明的构思是这样的。本发明一方面拟将黑色纳米颗粒引入无序光学结构，用于吸收无序光学结构引起的非相干光散射，提高非彩虹色结构色彩的亮度；另一方面利用量子点的可调节的光致发光性质弥补因黑色纳米颗粒的加入而引起的结构色亮度的降低。更为关键的是利用无序光学结构与光致发光量子点的光致发光性质的相互作用，来实现量子点发光波长与无序光学结构光子带隙的匹配以及量子点发光强度的提高，这对提高结构色色彩的亮度至关重要。本发明借助黑色纳米颗粒和光致发光量子点共同作用，提高非彩虹结构色色彩亮度，将会有利推动结构色材料在化学/生物学传感器、反射型显示器、颜料、装饰图层等领域具有重要应用。此外，本发明还提供了一种有效调控、增强量子点的发光的方法，从而将有效推动量子点的相关应用。
具体的，本发明的方法包括以下步骤：首先，将黑色纳米颗粒、光致发光量子点、两种不同粒径的单分散胶体微球乳液按一定比例混合，并均匀分散于水中，形成乳液；然后，通过滴涂、旋涂、浸涂、提拉、喷涂、喷墨打印将上述乳液置于基底上，室温干燥后，便形成具有高结构色色彩亮度的非彩虹色结构色材料。
所述的乳液中，单分散胶体微球的质量分数为2％～50％，两种不同粒径的单分散胶体微球的质量比为(1:20)～(1:1)；
所述的黑色纳米颗粒为炭黑、Fe3O4、石墨烯、CuO、金属、黑色素纳米粒子中的一种或者两种或多种的混合物，粒径为10nm～5μm，其含量为胶体微球颗粒质量的0.1％～1％。
金属优选自Fe、Cu、Ag等。
所述的光致发光量子点优选自石墨烯量子点、炭点以及碳纳米管，其粒径或者长度为5～100nm，含量为黑色纳米颗粒质量的1％～20％；
所述的石墨烯量子点的粒径为5～100nm，含量为黑色纳米颜料颗粒质量的1％～20％；其可以通过超声粉碎石墨烯直接获得。
所述的胶体微球为多分散度在5％～20％的聚苯乙烯胶体微球、二氧化硅胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球、ZnO胶体微球、Fe3O4胶体微球、TiO2胶体微球中的一种或是上述同种单分散胶体微球不同粒径的混合物，其质量比在5％～50％。
上述胶体微球的粒径150～350nm，其在乳液中的质量分数2％～30％，相应的结构色波长在390～780nm之间。
所得到的非彩虹结构色材料的反射波长在390～780nm之间。
本发明取得的有益效果：借助黑色纳米颗粒对无序光学结构引起的非相干散射光的吸收作用，以及量子点的光致发光特性，并利用无序光学结构的光子带隙对量子点的光致发光的增强作用，显著提高了非彩虹色结构色材料的色彩亮度，弥补了传统非彩虹色结构色材料色彩亮度低的技术难题，从而将有效推动结构色在显示、传感器、颜料、装饰图层等领域的实际应用。
附图说明
图1：实施例1中的具有高结构色色彩亮度的非彩虹色结构色材料的数码照片。
图2：实施例1中的具有高结构色色彩亮度的非彩虹色结构色材料的扫描电镜照片。照片由Hitachi S-4800扫描电子显微镜拍摄。
图3：实施例1中的具有高结构色色彩亮度的非彩虹色结构色材料的反射光谱。反射光谱由光纤光谱仪测得(Ocean Optics Inc.,HR 4000)。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明。
实施例1
将质量分数为10％的粒径为210nm的单分散聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球、占粒径为210nm聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球质量的1/20的粒径为250nm的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球、占上述胶体微球的质量分数为1％的粒径为2μm的石墨烯、占石墨烯的质量分数为10％的石墨烯量子点(粒径50nm)均匀混合并分散于水中形成乳液，然后，将上述乳液置于商用喷笔内，通过喷涂的方式喷到基底上，室温干燥后，便得到了高亮度的绿色非彩虹色结构色薄膜(图1)。其具有典型的无序光学结构(图2)，其反射光谱的反射峰位于553nm(图3)。
实施例2
将质量分数为10％的粒径为250nm的单分散聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球、占粒径为250nm聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球质量的1/20的粒径为180nm的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球、占上述胶体微球的质量分数为1％的粒径为5μm的石墨烯、占石墨烯的质量分数为10％的石墨烯量子点(粒径50nm)均匀混合并分散于水中形成乳液。然后，将乳液置于商用喷笔内，通过喷涂的方式喷涂到基底上，室温干燥后，便得到了高纯度的红色非彩虹色结构色薄膜(图1)，其反射光谱的反射峰位于633nm(图3)。
实施例3
将质量分数为10％的粒径为180nm的单分散聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球、占粒径为180nm聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球质量的1/20的粒径为250nm的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球、占上述胶体微球的质量分数为1％的粒径为5μm的石墨烯、占石墨烯的质量分数为10％的石墨烯量子点(粒径50nm)均匀混合并分散于水中形成乳液。然后，将乳液置于商用喷笔内，通过喷涂的方式喷涂到基底上，室温干燥后，便得到了高亮度的蓝色非彩虹色结构色薄膜(图1)，其反射光谱的反射峰位于452nm(图3)。
实施例4
将质量分数为2％的粒径为150nm的单分散二氧化硅胶体微球、占150nm二氧化硅胶体微球质量的50％的粒径为250nm的二氧化硅胶体微球、占上述胶体微球的质分数为0.1％的粒径为10nm的Ag纳米颗粒、占Ag纳米颗粒的质量分数为1％的石墨烯量子点(粒径5nm)均匀混合并分散于水中形成乳液。然后，将乳液喷墨打印到基底上，室温干燥后，便得到了高亮度的紫色非彩虹色结构色薄膜，其反射光谱的反射峰位于390nm。
实施例5
将质量分数为10％的粒径为350nm的单分散Fe3O4微球、占350nm二氧化硅胶体微球质量的10％的粒径为150nm的二氧化硅胶体微球,、占上述胶体微球的质量分数为0.1％的粒径为20nm的Fe纳米颗粒、占Fe纳米颗粒的质量分数为20％的石墨烯量子点(粒径100nm)均匀混合并分散于水中形成乳液。然后，将乳液旋涂到基底上，室温干燥后，便得到了高亮度的红色非彩虹色结构色薄膜，其反射光谱的反射峰位于780nm。
实施例6
将质量分数为10％的粒径为180nm的单分散聚苯乙烯胶体微球、占180nm的聚苯乙烯胶体微球质量的1/10的粒径为250nm的聚苯乙烯胶体微球、占上述胶体微球的质量分数为1％的炭黑(粒径50nm)、占炭黑的质量分数为10％的石墨烯量子点(粒径15nm)均匀混合并分散于水中形成乳液。然后，将乳液滴涂到基底上，室温干燥后，便得到了高亮度的蓝色非彩虹色结构色薄膜，其反射光谱的反射峰位于452nm。
实施例7
将质量分数为5％的粒径为180nm的单分散聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球、占180nm聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球的质量的1/5的粒径为250nm的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球、占上述胶体微球的质量分数为1％的黑色素纳米颗粒(粒径10nm)、占黑色素的质量分数为20％的石墨烯量子点(粒径100nm)均匀混合并分散于水中形成乳液。然后，将乳液通过浸涂的方式涂布到基底上，室温干燥后，便得到了高亮度的蓝色结构色薄膜，其反射光谱的反射峰位于452nm。
实施例8
将质量分数为5％的粒径为180nm的单分散ZnO胶体微球胶体微球、占180nmZnO胶体微球胶体微球质量的50％的粒径为250nm的二氧化硅、占上述胶体微球的质量分数为1％的Fe3O4纳米颗粒(粒径10nm)、占Fe3O4纳米颗粒的质量分数为1％的炭点(粒径15nm)均匀混合并分散于水中形成乳液。然后，将乳液通过提拉的方式涂布到基底上，室温干燥后，便得到了高亮度的蓝色非彩虹色结构色薄膜，其反射光谱的反射峰位于452nm。
实施例9
将质量分数为20％的粒径为180nm的单分散Fe3O4胶体微球、占180nm的Fe3O4胶体微球质量的1/4的粒径为250nm的二氧化硅胶体微球、占上述胶体微球的质量分数为1％的Fe3O4纳米颗粒(粒径50nm)、占Fe3O4纳米颗粒的质量分数为10％的碳纳米管(长度15nm)均匀混合并分散于水中形成乳液。然后，将乳液通过提拉的方式涂布到基底上，室温干燥后，便得到了高亮度的蓝色非彩虹结构色薄膜，其反射光谱的反射峰位于452nm。
实施例10
将质量分数为5％的粒径为180nm的单分散TiO2胶体微球、占180nmTiO2胶体微球质量的1/5的粒径250nm的TiO2胶体微球、占上述胶体微球的质量分数为1％的Cu纳米颗粒(粒径10nm)、占Cu纳米颗粒的质量分数为10％的石墨烯量子点(粒径15nm)均匀混合并分散于水中形成乳液。然后，将乳液通过提拉的方式涂布到基底上，室温干燥后，便得到了高亮度的蓝色非彩虹色结构色薄膜，其反射光谱的反射峰位于452nm。
Claims (3)
1.一种提高非彩虹结构色色彩亮度的方法，其特征在于包括以下步骤：
首先，将黑色纳米颗粒、光致发光量子点、两种不同粒径的单分散胶体微球乳液按一定比例混合，并均匀分散于水中，形成乳液；然后，通过滴涂、旋涂、浸涂、提拉、喷涂、喷墨打印将上述乳液置于基底上，室温干燥，便形成具有高结构色色彩亮度的非彩虹结构色材料；
其中，所述的黑色纳米颗粒为Fe3O4、石墨烯、CuO、金属、黑色素纳米粒子中的一种或者两种或多种的混合物，粒径为10nm～5μm，含量为胶体微球颗粒质量的0.1％～1％；
所述的胶体微球为多分散度在5％～20％的聚苯乙烯胶体微球、二氧化硅胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸胶体微球、ZnO胶体微球、Fe3O4胶体微球、TiO2胶体微球中的一种或是上述同种单分散胶体微球不同粒径的混合物，不同粒径胶体微球的质量比为5％～50％；胶体微球的粒径150～350nm，其在乳液中的质量分数2％～30％；
所述的光致发光量子点选自石墨烯量子点、炭点以及碳纳米管其中一种，其粒径或者长度为5～100nm，含量为黑色纳米颗粒质量的1％～20％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的单分散胶体微球乳液中，单分散胶体微球的质量分数为2％～50％，两种不同粒径的单分散胶体微球的质量比为(1:20)～(1:1)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于金属选自Fe、Cu、Ag其中一种。
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