CN113646667A - 用于动态颜色展示的光子晶体的静电排列和表面组装的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于动态颜色展示的光子晶体的静电排列和表面组装的系统和方法。所述方法包括：将多个光子晶体链分散到溶液中；将所述多个光子晶体链的溶液置于容器中；以及通过在所述容器的表面上的局部电荷累积来组装和排列所述溶液中的所述多个光子晶体链以展示颜色。

Description

用于动态颜色展示的光子晶体的静电排列和表面组装的系统 和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年2月18日提交的美国临时申请62/807,000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
本公开总体上涉及一种用于动态颜色展示的光子晶体的静电排列和表面组装的方法和系统。
背景技术
光子晶体是一类具有结构颜色特性并且当几何排列和取向时展示不同颜色的材料。通常，球形颗粒的自组装层形成三维(3D)结构，其衍射光以展示颜色。由于光子晶体产生颜色的机制，光子晶体固有地是角度依赖性的，因此重要的是控制光子晶体的结构和几何形状。
控制光子晶体的展示颜色已经以两种方式完成。第一种且最常见的方法是改变颗粒或空隙的尺寸，这是衍射的原因。这通常通过操纵光子晶体的化学环境使得晶体膨胀或收缩并因此展示各种颜色来证明。这种机制的应用通常属于广泛类别的化学传感器。尽管化学感测是重要的，但是由于光子晶体的相同化学敏感性，所述机制具有有限的适用性。
控制光子晶体几何形状的最新进展集中在使用远程能量(比如磁场)来布置和操纵光子晶体结构。在不改变化学环境的情况下操纵光子晶体的颜色的能力扩大了可以使用光子晶体的应用的范围。
用磁场操纵材料是远程控制的一个实例，但是在按比例缩小的装置(比如微型装置)上实现有效磁控制的基础设施在范围上是有限的。然而，与磁场相比，电场已经被更充分地开发，其为新的基于电荷的技术提供更多的基础设施支持。
电泳沉积是用于将带电材料沉积到带相反电荷的表面上的常用方法。电泳沉积主要涉及材料在基底上的简单沉积，尽管已经显示各向异性材料(比如纳米棒)可以具有有序的沉积概况并且由于颗粒上的电偶极子而排列到表面上。这种有序已经使用半导电CdSe纳米棒证实，并进一步应用到半导体应用(比如薄膜激光器)。但是，这种技术还没有应用到光子晶体材料或与光子晶体材料一起使用。
迄今为止，光子晶体被宣传用作下一代可调颜色和颜料，但只是用于在工业中具有有限用途的化学、压力和磁场传感器。磁场控制已经能够远程操纵光子晶体。然而，为了扩展磁操纵的适用性，还必须发展支持磁应用所需的工程基础设施。控制光子晶体结构及其几何形状的另外方法对于利用其独特颜色展示特性并在工业和消费品的更广泛应用范围内使用它们是重要的。许多工业已经围绕电和电场而发展。通过产生可以被电操纵的光子晶体，光子晶体可以适应现有的工业基础设施，以更好地支持光子晶体在一系列更广泛的应用中的使用。
发明内容
考虑到上述问题，将期望具有一种用于动态颜色展示的光子晶体的静电排列和表面组装的系统和方法。
公开了一种用于动态颜色展示的光子晶体的静电排列和表面组装的方法，所述方法包括：将多个光子晶体链分散到溶液中；将所述多个光子晶体链的所述溶液置于容器(即，容纳(contain)或收纳(hold)包含多个光子晶体链的所述溶液的设备、装置、设施等)中；以及通过在所述容器的表面上的局部电荷累积来组装和排列所述溶液中的所述多个光子晶体链以展示颜色。
公开了一种用于动态颜色展示的系统，所述系统包括：分散到溶液中的多个光子晶体链；容器，所述容器容纳在所述溶液中的所述多个光子晶体链；并且其中当局部电荷累积被置于或位于所述容器的表面上或其附近时，在所述溶液中的所述多个光子晶体链组装并排列，展示颜色。
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
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。
图1A是根据一个示例性实施方案的具有随机分布的电敏光子晶体链的溶液的图示；
图1B是在容器表面上存在局部电荷累积的情况下衍射具体颜色的光子晶体链的组装和排列的图示；
图2A是在聚碳酸酯比色皿中具有蓝色背景染料的橙色光子晶体链的图示，其中橙色是由于在用指尖摩擦(左)和没有刺激(右)的情况下在容器表面上电荷累积区域中的光子链的组装和排列引起的；
图2B是具有红色背景染料的黄绿色光子晶体链的图示，所述红色背景染料感测在聚丙烯容器的壁上的局部电荷累积。
具体实施方式
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。
本公开包括光子晶体，所述光子晶体对表面上的电荷敏感，使得所述光子晶体可以自组装或排列到所述表面上并展示颜色。根据一个示例性实施方案，疏水性二氧化硅涂覆的纳米材料在分散到非极性溶剂中时在其表面上保留潜电荷。根据一个示例性实施方案，这些潜电荷倾向于聚集在尖锐边缘上，在这种情况下为这些颗粒的一维(1D)几何形状的末端/尖端，其进而在各向异性纳米材料的那些末端产生电偶极子。纳米颗粒上的这些电偶极子对可能存在的其他电荷或电荷电势赋予敏感性。因此，当电场通过溶液施加或在容器的壁上建立时，各向异性纳米颗粒在带电区域中排列和自组装。因为这些材料是光子晶体，所以当排列或自组装时，这些材料通过衍射展示颜色。
根据一个示例性实施方案，这种使用所公开的光子晶体的现象可以用于观察、测量和感测表面上的电荷累积，这可以是降低在使用电敏设备或高度易燃燃料以及静电放电可能变得危险的工业中的风险的附加工具。根据一个示例性实施方案，本公开还可以用于操纵在表面附近或在溶液中的光子晶体，从而允许使用光子晶体的新型反射式显示技术具有已建立的电子器件基础设施的支持。
根据一个示例性实施方案，这里描述的公开使用疏水性光子晶体，以在自组装和排列到带电表面上时展示颜色。具体地，Fe3O4纳米团簇被布置成一维(1D)链，并通过SiO2的涂层固定，以形成线性豌豆荚状结构，所述线性豌豆荚状结构通过用十八烷基三甲氧基硅烷(ODTMS)官能化二氧化硅表面而变得疏水。使用各种其他部分，比如直链烷烃硅烷(除了示例性十八烷基以外)、支链烷烃硅烷、卤化硅烷和本领域已知的其他部分，可以实现疏水性表面处理。根据一个示例性实施方案，对链中的尺寸和团簇间距的控制允许光子晶体的颜色调整/选择。一旦疏水，就可以将光子晶体分散在非极性溶剂中以产生电敏光子晶体溶液。可以将电荷控制剂和另外的分散剂添加到溶液中，以调整光子晶体对电场或表面电荷的存在的行为或敏感性。根据一个示例性实施方案，代替(1D)链，也可以使用各向异性纳米棒或基于预固定的3D纳米棒的光子晶体，所述纳米棒可以被包装或包封在各种基底(比如包封或固体乳液)中。
当在容器(比如聚丙烯或聚碳酸酯)中时，静电荷可以通过摩擦电效应在容器表面上累积。当静电荷沉积到表面上时，溶液中的光子晶体在带电区域自组装和排列。当排列时，光子晶体展示它们的颜色，有效地指示容器壁上或通过溶液的电荷分布。这种机制在图1A和图1B中示意性地示出。图1A显示具有随机分布的电敏光子晶体链的溶液，并且图1B示出在容器表面上存在局部电荷累积的情况下衍射具体颜色的光子晶体链的组装和排列。
根据一个示例性实施方案，在带电区域中显示的光子晶体的颜色与背景之间的对比度可以通过添加染料或颜料改进。因为光子晶体在表面上排列，所以溶液中的染料将充当背景颜色，而在光源和光子晶体之间没有衰减或干扰。图2A和图2B显示光子晶体链，其感测在其容器的壁上的局部电荷累积的存在并且具有添加的背景染料以改进带电区域中衍射颜色的对比度。
图2A示出聚碳酸酯比色皿中具有蓝色背景染料的橙色光子晶体链。橙色是由于通过用指尖摩擦而在容器表面上累积电荷的区域中的光子链的组装和排列引起的。图2B示出具有红色背景染料的黄绿色光子晶体链，其感测在聚丙烯容器的壁上的局部电荷累积。
方法：
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 uL ODTMS，并且在1.5小时内升温至回流，伴随偶尔的超声处理。根据一个示例性实施方案，将疏水性光子晶体(HPC)磁性分离，且用己烷洗涤，并悬浮在非极性烷烃溶剂(比如己烷或石蜡油)中。
根据一个示例性实施方案，本公开表现了可视化在表面上由变色指示的表面电荷聚集和定位的能力。
根据一个示例性实施方案，使用摩擦电效应进行通过光子晶体链的静电感测，即，来自溶液的纳米链表面排列到透明塑料或聚合物(比如，聚丙烯、聚碳酸酯)的表面上。根据一个示例性实施方案，代替纳米链，可以使用纳米棒。
根据一个示例性实施方案，纳米棒可以是各向异性纳米棒或基于预固定的3D纳米棒的光子晶体，其可以被包装或包封在各种基底(比如包封或固体乳液)中。
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。
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，比如在权利要求中明确地叙述的“用于……的手段”或“用于……的步骤”。
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。

Claims (30)

1.一种用于动态颜色展示的光子晶体的静电排列和表面组装的方法，所述方法包括：
将多个光子晶体链分散到溶液中；
将所述多个光子晶体链的溶液置于容器中；以及
通过在所述容器的表面上的局部电荷累积来组装和排列所述溶液中的所述多个光子晶体链以展示颜色。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶液是非极性溶剂。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个光子晶体链对所述容器的表面上的电荷敏感，使得所述多个光子晶体自组装或排列到所述容器的表面上并展示颜色。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个光子晶体链是疏水性二氧化硅涂覆的纳米材料，当分散到非极性溶剂中时，其在所述疏水性二氧化硅涂覆的纳米材料的表面上保留潜电荷。
5.根据权利要求1所述的方法，其包括：
通过所述溶液或在所述容器的表面上施加电荷，并且其中所述疏水性二氧化硅涂覆的纳米材料在带电区域中排列和自组装，并且通过衍射展示颜色。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述疏水性二氧化硅涂覆的纳米材料用于观察、测量和感测表面上的电荷累积，以降低在使用电敏设备或高度易燃燃料以及静电放电可能变得危险的工业中的风险。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
操纵在表面附近或在溶液中的所述多个光子晶体，允许使用光子晶体的反射式显示技术具有已建立的电子器件基础设施。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个光子晶体链是Fe3O4纳米团簇，其被布置成一维(1D)链并通过SiO2的涂层固定以形成线性豌豆荚状结构，并且所述方法包括：
用十八烷基三甲氧基硅烷官能化布置成一维(1D)链的Fe3O4纳米团簇的二氧化硅表面。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
控制所述多个光子晶体链的尺寸和团簇间距以用于颜色调整。
10.根据权利要求1所述的方法，其中一旦所述多个光子晶体链是疏水的，则所述多个光子晶体链被分散在非极性溶剂中以产生电敏光子晶体溶液。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
将电荷控制剂和分散剂添加到所述溶液中，以调整所述多个光子晶体链对电场或表面电荷的存在的行为或敏感性。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述容器是聚丙烯或聚碳酸酯，并且静电荷通过摩擦电效应累积在所述容器的表面上。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将染料或颜料添加到所述溶液中，所述染料或颜料被配置成充当背景颜色，而在光与所述多个光子晶体链之间没有衰减或干扰。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个光子晶体链是纳米棒。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述纳米棒是各向异性纳米棒或基于预固定的3D纳米棒的光子晶体，并且被包装或包封在包封或固体乳液中。
16.一种用于动态颜色展示的系统，所述系统包括：
分散到溶液中的多个光子晶体链；
容器，所述容器容纳在所述溶液中的所述多个光子晶体链；以及
其中当局部电荷累积被置于或位于所述容器的表面上或其附近时，所述溶液中的所述多个光子晶体链组装并排列，展示颜色。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述溶液是非极性溶剂。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述多个光子晶体链对所述容器的表面上的电荷敏感，使得所述多个光子晶体自组装或排列到所述容器的表面上并展示颜色。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述多个光子晶体链是疏水性二氧化硅涂覆的纳米材料，当分散到非极性溶剂中时，其在所述疏水性二氧化硅涂覆的纳米材料的表面上保留潜电荷。
20.根据权利要求16所述的系统，其中通过所述溶液或在所述容器的表面上施加电荷，并且其中所述疏水性二氧化硅涂覆的纳米材料在带电区域中排列和自组装，并且通过衍射展示颜色。
21.根据权利要求16所述的系统，其中所述疏水性二氧化硅涂覆的纳米材料用于观察、测量和感测表面上的电荷累积，以降低在使用电敏设备或高度易燃燃料以及静电放电可能变得危险的工业中的风险。
22.根据权利要求16所述的系统，其中操纵在表面附近或在溶液中的所述多个光子晶体，允许使用光子晶体的反射式显示技术具有已建立的电子器件基础设施。
23.根据权利要求16所述的系统，其中所述多个光子晶体链是Fe3O4纳米团簇，其被布置成一维(1D)链并通过SiO2的涂层固定以形成线性豌豆荚状结构，并且其中所述布置成一维(1D)链的Fe3O4纳米团簇的二氧化硅表面用十八烷基三甲氧基硅烷官能化。
24.根据权利要求23所述的系统，其中控制所述多个光子晶体链的尺寸和团簇间距以用于颜色调整。
25.根据权利要求16所述的系统，其中一旦所述多个光子晶体链是疏水的，则所述多个光子晶体链被分散在非极性溶剂中以产生电敏光子晶体溶液。
26.根据权利要求25所述的系统，其中将电荷控制剂和分散剂添加到所述溶液中，以调整所述多个光子晶体链对电场或表面电荷的存在的行为或敏感性。
27.根据权利要求16所述的系统，其中所述容器是聚丙烯或聚碳酸酯，并且静电荷通过摩擦电效应在所述容器的表面上累积。
28.根据权利要求16所述的系统，其中将染料或颜料添加到所述溶液中，所述染料或颜料被配置成充当背景颜色，而在光和所述多个光子晶体链之间没有衰减或干扰。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述多个光子晶体链是纳米棒。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述纳米棒是各向异性纳米棒或基于预固定的3D纳米棒的光子晶体，并且包装或包封在包封或固体乳液中。
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