生态仿生着色--结构色纳米纤维膜

自然界中的两种颜色

我们生活在五彩缤纷的世界里，天空、草地、海洋、美丽的花朵都有他们各自的颜色。自然界中颜色的产生主要有两种方式：结构生色和色素生色。

色素是会产生颜色的物质。自然光入射到色素上，色素分子通过有选择性的吸收、反射和透射特定波长的光线从而展现出不同的颜色。

大部分花朵的颜色都是由色素色造成的，当白光照射到一朵黄花上时，除了黄光，其他的光都会被这朵花吸收掉，只有黄光反射到我们的眼睛里，因此我们看到的这朵花是黄色的。由于色素分子对光的吸收和反射没有方向性，所以从各个方向观察花的颜色是一致的。色素色有个非常明显的缺点，就是色素分子经过一段时间与空气中的化学成分发生化合作用，发生褪色现象。

图1 生活中的色素色（源于网络）

结构色与色素着色无关，是生物体亚显微结构所导致的一种光学效果。结构色，又称物理色，是依赖特殊的物理结构而产生的。

图2 结构色产生机理（来源网络）

例如：昆虫体壁上有极薄的蜡层、刻点、沟缝或鳞片等细微结构，使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉而产生各种颜色，从而使甲虫体壁表面具有金属光泽和闪光等特征。

自然界中常见的结构色生物还有蝴蝶的翅膀、蜜蜂和孔雀的身体色等，具有高亮度、高饱和度、永不褪色、虹彩等特点。结构色生色机理主要有薄膜干涉、散射、衍射光栅和光子晶体等。

由于结构色具有不褪色、环保和虹彩效应等优点，在显示、装饰、防伪等领域具有广阔的应用前景。对自然界中生物的结构色形成机理及其应用进行研究，可以促进仿生结构色加工和微纳米光学技术的发展。

图3 生活中的结构色（来源网络）

将结构色应用到纺织行业

如果能将结构色运用到纤维纺织行业中，则可以解决传统纺织产业中的高污染、高能耗、容易褪色问题。

光子晶体是一种介电常数周期性变化排列的材料。是由E.Yablonovitch和S.John在1987年同时在著名刊物“Physical ReviewLestters”上独立提出来的。

由于它可以像半导体控制电子那样控制光子的传播，所以称之为光子晶体。光子晶体最显著的特征是具有光子禁带结构，频率在禁带范围内的波长都被禁止传播，故而能控制光子的传播而产生结构色。当光子晶体结构的禁带位于可见光波段（380-780 nm）时，可见光波段的光将在光子晶体表面发生反射，反射光在晶体表面形成相干衍射，呈现禁带对应波长范围的颜色，就会产生结构色。根据光子晶体介电材料周期性排列的不同方位和结构，可以分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。

我们尝试借鉴生物体产生结构色的思路，利用光子晶体结构呈色原理是光和具有周期结构的材料相互作用，具有高亮度、不会受光照老化褪色的优点，对纤维进行了结构色设计。

图4 一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体

光子晶体纤维是由蛋白石或反蛋白石结构构成的纤维状光子晶体材料，其组装单元大多为胶体微球。

静电纺丝法是一种批量快速制备光子晶体纤维的方法。将单分散乳胶粒和聚合物混合溶液作为纺丝液，静电纺丝过程喷出混合物射流，在溶剂蒸发过程中纤维细化，裹挟的胶体微球在纤维形成过程中组装成有序结构，形成光子晶体纤维。

图5 静电纺丝法制备光子晶体（DOI: 10.1002/adma.200802948）

以异丙基丙烯酰胺和丙烯酸叔丁酯为功能单体，采用无皂乳液聚合和自组装法制备温度响应性微凝胶光子晶体，通过微凝胶纺丝液浓度的合理调控，室温下静电纺丝制得响应性结构色纳米纤维膜。

图6 结构色纳米纤维膜（实验室拍摄）

若将结构色用于纺织业得到结构色纤维，一方面可解决染料的高污染、高能耗和高排放等严重破坏环境的问题，另一方面可得到高色彩饱和度的纺织品，使纺织品在可穿戴显示、可视化检测以及军事伪装等领域得到广泛应用，因而对整个纺织印染行业以及环境保护意义重大。

此外，结构色纳米纤维膜体系还具有响应行为，可以将外界刺激信号转化为光信号。在受到外界刺激时，通过偏序纳米球排列的相干散射相关的光子带隙效应，通过微球的重新自组装形成，进而宏观呈现出结构色。

还可通过集成其它功能分子基团，发展新颖的多功能纤维材料，探讨在智能纺织新材料、环境监测、无油墨印刷及新型平板显示等领域的应用。