东南大学赵远锦团队《Matter》：仿生粘附结构色颜料

来源：高分子科学前沿

在自然界中，我们往往能发现许多动植物拥有着与生俱来的美丽色彩，例如：鸟类的羽毛、蝴蝶的翅膀、昆虫的体壁、某些植物的果实等等。这些色彩也可以称作为结构色，它的形成依赖于动植物自身特殊的微结构能够改变光的传播方向。由于结构色具有不易褪色、无毒环保等诸多优点，其在显示、装饰、防伪、功能材料构建、生物/化学检测等领域有着广阔的应用前景。在结构色材料中还有着一类特殊的存在——非彩虹结构色材料，这类材料相较于普通的结构色材料有一明显的特征：角度无偏，即材料的颜色在任意观察角度不发生改变。然而美中不足的是，普通的非彩虹结构色材料往往缺乏可以吸收非相干散射的成分，表现出较低的色彩饱和度；此外，组成常见的非彩虹结构色材料的胶体粒子间的作用力相对较弱，粒子表面缺乏有效的活性基团，这使得非彩虹结构色材料的粘附性和牢固性不甚理想。

图1 仿生非彩虹结构色颜料的制备过程

近日，东南大学赵远锦教授团队受自然界中羽毛鲜亮的颜色及贻贝超强的自粘附性启发，开发了一种具有高亮度、高粘附力的非彩虹结构色颜料（图1）。在本研究中，团队选择氧化石墨烯（GO）来作为深色分子增加颜料的色彩饱和度，同时利用贻贝所分泌的自粘附蛋白中的主要成分多巴胺（DA）来增强材料的粘附性。通过层层包裹的方式将氧化石墨烯和聚多巴胺（PDA）与二氧化硅纳米粒子相结合，并将制备所得的多壳层纳米粒子作为进一步构建非彩虹结构色颜料的单体。实验证明通过喷枪喷涂的方式，事先分散于无水乙醇中的颜料单体会在降落至基底上之前形成一个个大小各异的具有无定形结构的微球，而由微球聚集而成的颜料图案除了具备非彩虹结构色材料本身特征的角度无偏性质外，更展示了极为鲜明的结构色及优秀的粘附性和色彩牢固度（图2及图3）。

图2 颜料的亮度及牢固度对比

图3 颜料的角度无偏特性

更有趣的是，若以上述颜料为模板，还能够得到具有非彩虹结构色的反蛋白石结构水凝胶，保有其角度无偏的特征。留存在水凝胶中的氧化石墨烯能够赋予其更加多样化的功能。例如，若使用温度响应性高分子N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM），则得到的NIPAM水凝胶图案具有光热响应的能力，研究人员甚至通过光驱动NIPAM水凝胶小人完成了类似仰卧起坐的运动；而若是使用明胶材料，则得到的水凝胶图案具有自修复的能力（图4）。

图4 非彩虹结构色的反蛋白石结构水凝胶

相关工作发表在Matter杂志上，论文第一作者为2016级博士生刘羽霄，赵远锦教授为文章的唯一通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金、NASF联合基金重点支持项目等的资助。

参考文献：

Y. X. Liu, C. M. Shao, Y. Wang, L. Y. Sun, Y. J. Zhao, Bio-Inspired Self-Adhesive Bright Non-iridescent Graphene Pigments, Matter (2019),https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.08.018