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复旦大学武利民课题组制成智能显示结构色材料

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  人民网上海8月14日电 (记者 姜泓冰) 和传统的化学色(如颜料、染料等着色)相比,结构色具有色彩反射率高、饱和度高、不易褪色、环保等特点。不过,现有结构色材料只能呈现漫反射或镜面反射,很少具有材料表面反射的第三种类型——逆反射,即反射光线射回光源方向的现象。而且,它们通常只具有随角异色或随角不变色,难以同时兼有两者的特性。目前的商业逆反射材料的颜色主要来源于化学颜料,不仅生产和使用过程中污染严重,且易褪色、无智能响应功能。

  针对这一问题,复旦大学材料科学系教授武利民团队将直径数微米至十几微米的聚合物胶体微球组装到普通透明聚合物胶带的粘胶层上成单层微球阵列,首次报道了一种既具有逆反射、又同时具有随角异色和随角不变色的智能响应结构色薄膜材料,揭示了其智能响应结构色形成机理,并探索了其在智能显示等领域的应用。8月10日,相关成果在线发表于《科学进展》(Science Advances, 2019, 5, eaaw8755)。德国公共电台科技频道和新华社华盛顿分社等多家媒体对该成果进行了报道。

  武利民团队所发展出的大面积逆反射结构色薄膜,在室内光线下,有球的薄膜面和无球的薄膜面均显示无色,但在白光光源的照射下,无球薄膜面显示逆反射智能结构颜色:即,从照明的方向可观察到均一、明亮的逆反射结构色,且随角不变色;从非照明方向观察时,薄膜随照明角或观察角变化而显示不同的颜色。

  研究表明,产生这种新颖光学现象的原因在于聚合物胶体微球与透明胶带之间形成了一种独特的基于气垫微球/聚合物双层结构:即胶体微球与胶粘层聚合物由于弹性不同发生应力收缩,从而在胶体微球与胶粘层之间形成空气层,微球通过粘胶微丝与粘胶层连接悬挂在空气层中形成阵列。当白光光束从薄膜无微球一面入射时,光线会在微球陷入部分和未陷入部分的半球界面上分别发生薄膜干涉和全内反射效应,从而依次实现了智能结构色的产生和逆反射的效果。通过调节微球的粒径可以控制空气层的厚度,从而产生不同颜色的结构色。

  该逆反射结构色薄膜在智能显示、交通安全反光设施、防伪标签、结构色涂层和装饰等领域具有重要应用价值。如,薄膜应用于夜间交通反光标牌或广告牌时,由于车灯照明的方向和司机的视角处于同轴,司机从远到近可观察到均一、鲜艳的反光颜色;而路边的行人由于视角和车灯照明方向处于不同轴,随着车辆由远及近可观察到不断变化的反光颜色,从而可有效提醒行人(特别是佩戴耳机或听力受损者)主动避让后方的车辆,避免交通事故的发生。通过一定的照明和观察方式,该薄膜或涂层还可实现其它的智能交通显示功能,如具有交互式变色和闪烁功能的交通信号标牌等。

  博士后范闻和博士生曾静,及纽约州立大学布法罗分校的甘巧强教授为该论文共同第一作者,武利民为通讯作者,复旦大学物理学系石磊教授团队多次参加了讨论。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委和复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室等的共同资助。该研究已申请中国和美国专利各一项。

  图1. 逆反射结构色薄膜的(A-D)制备步骤, (E-I)结构和光学特性,以及(J)照明/观察同轴时随角不变色和(K)照明/观察不同轴时随角变色的示意图。

  图2.(A)逆反射结构色薄膜制备的交通反光标牌在夜间道路上应用的示意图,以及车辆距离标牌不同距离L时(80米、50米、30米)(B-D)行人视角和(E-G)司机视角的照片。

  图3.行驶中的车辆离由远及近80米,40米,15米和10米时(a-d)司机视角和(E-G)行人视角的广告牌变化

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