具有光谱选择性吸收组分的结构着色材料及其制造方法
【专利说明】具有光谱选择性吸收组分的结构着色材料及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求2013年7月31日提交的美国专利申请号61/860694的在先申请日的权益。
[0003]版权声明
[0004]本专利公开可以包含受版权保护的材料。版权拥有者不反对任何人传真复制专利文献或专利公开(因为其出现在美国专利和商标局的专利文件或记录中)，但在其他方面保留任何和所有版权。
[0005]通过引用并入
[0006]本文引用的所有专利、专利申请和公开通过引用以其整体并入，以更充分地描述与本发明同时期的本领域技术人员已知的现有技术状态。
[0007]关于联邦资助研究或开发的声明
[0008]本发明部分是由基于科学研究空军办公室颁发的批准号FA9550-09-1-0669-D0D35CAP的美国政府资助来完成的。美国政府可以在本发明中具有某些权利。
发明领域
[0009]本申请涉及颜色科学。更具体地，本申请涉及提供结构着色材料，该结构着色材料提供了所需的一组可在广泛的应用中使用的性质。
【背景技术】
[0010]着色化学颜料在日常生活中广泛使用，并且是实现在整个可见光谱范围的颜色的主要方法。然而，这样的有机颜料具有潜在的毒性，以及在较长使用期间具有褪色倾向。
[0011]光子晶体展示源于体系几何结构的强的可调节的颜色(所谓的结构颜色)，并因而是对创新新型非褪色和环境友好的颜料的潜在候选。然而，由于它们的颜色产生于干扰效应，基于视角的观察到的颜色控制仍然是个问题。此外，当具有低于一定尺寸限制的有限尺寸的光子晶体微粒形成作为着色剂时，干涉效应衰减且多重散射变得更加突出，从而导致白色着色颜料。
[0012]—些最近的努力已经产生装载有碳纳米粉末的反蛋白石微颗粒。然而，由于在可见光波长处的宽带吸收，这些材料遭受差的反射率和暗色(dull color)。
[0013]附图简述
[0014]当考虑以下详细描述，结合附图，本发明的上述和其它目的以及优点将是明显的，其中该附图中相同的参考字符指的是相同的部分，并且其中:
[0015]图1A-2B展示了根据某些实施方式可以基于反射波长、半峰全宽和折射率对比确定光子晶体重复单元的最小数目；
[0016]图2A-2C提供了与宽带吸收剂(broadband absorber)混合的光子晶体颗粒的示意图；
[0017]图2D-2F提供了根据某些实施方式与光谱选择性吸收组分混合的光子晶体颗粒的示意图；
[0018]图3A-3C提供了根据某些实施方式形成具有光谱选择性吸收组分的球形光子晶体颗粒的示意图；
[0019]图3D展示了根据某些实施方式，如果当分散在具有二氧化硅基质的光子晶体中时，纳米颗粒壳经二氧化硅涂覆，则可以获得金纳米颗粒的更均匀分布；
[0020]图4示出了形成根据某些实施方式的球形光子晶体颗粒的图像；
[0021]图5示出了根据某些实施方式的一些具有不同尺寸的示例性的球形光子晶体颗粒的扫描电子显微镜图像(SEM)；
[0022]图6示出了根据某些实施方式的一些由不同尺寸的胶体组成的示例性的同尺寸球形光子晶体颗粒的SEM;
[0023]图7示出了根据某些实施方式的在其中掺入金纳米颗粒的球形光子晶体颗粒的SEM ；
[0024]根据某些实施方式，图8A示出了一些示例性的倒置球形光子晶体颗粒的SEM，和图SB示出了实施方式的这种倒置球形光子颗粒的横截面的SEM;
[0025]图9示出了根据某些实施方式的形成延长的光子晶体颗粒的示意图；
[0026]图10示出了根据某些实施方式的具有光谱选择性吸收组分的示例性的延长的光子晶体颗粒的SEM图像；
[0027]图11示出了根据某些实施方式的其中嵌入金纳米颗粒(AuNP)的示例性反蛋白石光子颗粒的SEM图像；
[0028]图12A示出了根据某些实施方式的覆盖有其中掺入AuNP和其中没有掺入AuNP的光子晶体颗粒的基底的垂直入射反射光谱的比较；
[0029]图12B示出了根据某些实施方式的示出AuNP掺杂对反蛋白石光子晶体的反射光谱(垂直入射)的影响的模拟；
[0030]图12C示出了根据某些实施方式水渗透之前和之后AuNP-掺杂的反蛋白石膜(由二氧化硅制成)的反射率；
[0031 ]图12D示出了根据某些实施方式覆盖有没有掺入AuNP和掺入AuNP的反蛋白石光子晶体颗粒的表面的镜面反射率和散射；
[0032]图13示出了根据某些实施方式使用二氧化钛制成的光子晶体颗粒；
[0033]图14A-14C示出了根据某些实施方式使用二氧化硅和二氧化钛的混合物制成的光子晶体颗粒；
[0034]图15示出根据某些实施方式关于用二氧化钛涂敷光子晶体颗粒的孔的示意图；
[0035]图16A和16B示出了根据某些实施方式二氧化钛涂覆的光子晶体颗粒的SEM和能量色散X-射线谱(EDS)图像；
[0036]图17A-17D示出了根据某些实施方式排斥在中心附近图案化的某些液体的光子晶体颗粒和在基底外侧附近的吸引液体的光子晶体颗粒的光学图像；
[0037]图18示出了根据某些实施方式具有选择性吸收剂的光子晶体的后改性示意图；
[0038]图19A-19B示出了根据某些实施方式不同光谱吸收组分的吸收光谱和嵌入在光子晶体中的不同光谱吸收组分的反射光谱；
[0039]图19C-19E示出了根据某些实施方式在光子晶体球内的金纳米颗粒、没有任何金纳米颗粒的光子晶体球和非光子晶体球内的金纳米颗粒的反射光谱；
[0040]图20A和20B示出了根据某些实施方式光如何能反射出不同的光子晶体颗粒的示意图；
[0041]图21展示了根据某些实施方式的本公开的改进的光稳定性;和
[0042]图22展示了较大的光子晶体颗粒提供更大程度的火花、虹彩效应，而较小的光子晶体颗粒在不同的观察角度提供更恒定的颜色。
[0043]发明详述
[0044]在某些实施方式中，结构着色材料是由在光子晶体颗粒内嵌入光谱选择性吸收组分而提供。
[0045]在某些实施方式中，可以通过改变光子晶体颗粒的孔隙率、周期性和尺寸以及使用光谱选择性吸收组分调节光学特性，而精确调整观察到的颜色。例如，光谱选择性吸收组分能够抑制不想要的颜色，而光子晶体颗粒的孔隙率、周期性和尺寸可经调节以产生足够强的强度的共振波长。特别地，光子晶体颗粒的尺寸可经调节，以使得它们大于重复单元的最小数目，以产生足够强的颜色。
[0046]在某些实施方式中，当不管是何种观察角度，需要恒定的颜色时，可以向光子晶体结构中引入无序度，这可导致重复单元的最小数目较大。替代地，如果需要火花效应或虹彩，可以以高度有序产生每个光子晶体颗粒。例如，具有高度有序的光子晶体颗粒可以导致取决于观察角度的不同的颜色，这可以提供火花或虹彩效应。
[0047]在某些实施方式中，当不管是何种观察角度，需要恒定的颜色时，可以使用较小的光子晶体颗粒。相反，如果需要火花效应或虹彩，可以使用较大的光子晶体颗粒。
[0048]在某些实施方式中，一起提供多个含有光谱选择性吸收组分的光子晶体颗粒以作为颜料。例如，可以使用多个含有光谱选择性吸收组分的光子晶体颗粒作为颜料，如口红、糊剂等。
[0049]在某些实施方式中，颜料可以包括多个光子晶体颗粒，其含有分散在合适的介质如水、有机溶剂、油类等中的光谱选择性吸收组分。例如，本文中所述的光子晶体颗粒可以分散在介质中，或者是复合油漆的一部分等。在某些实施方式中，光子晶体颗粒可以约0.1至50体积％的浓度存在。分散在合适的介质中的颜料还可以包括其它组分，如表面活性剂、分散剂、剪切增稠剂、剪切稀化剂、铺展剂、粘合促进剂、聚合物、成膜剂、控制粘度或蒸发的助溶剂、增稠剂、粘度改性剂、稳定剂等。
[0050]在某些实施方式中，本文所述的光子晶体颗粒可以被官能化，用于改进在载体材料或分散介质中的分散。在某些实施方式中，本文所述的光子晶体颗粒可以被官能化，以使得可以实现抵抗由降低的折射率对比(由于载体材料或分散介质)引起的结构色损失。例如，具有官能化的外壳的光子晶体颗粒可以用在油里面用于化妆品效果，并且官能化的外壳可以有助于减少油渗透到光子晶体颗粒内部，以稳定地保持明亮的结构色。
[0051 ]更进一步的益处可以包括UV保护(当UV吸收材料如二氧化钛等作为该结构的一部分)、光催化、抗微生物性质和抗炎性质(从例如银纳米颗粒等产生的抗微生物功能)、分子的受控释放(例如香料、药品、药物等)、分子的受控吸收(例如具有控油效果等)。在某些实施方式中，可以使用良性的无毒材料如矿物质，其也是可生物降解的。
[0052]在某些实施方式中，可以引入空间控制的表面官能化，以调谐宏观尺度的润湿性能，生产能够反应以改变环境条件的动态颜色。
[0053]光子晶体颗粒
[0054]在某些实施方式中，可以使用具有接近所需的颜色范围的共振频率的光子晶体颗粒。如本文中所使用的，“光子晶体”结构指的是在具有高介电常数和低介电常数的材料的空间中，具有至少一些水平的周期性变化的结构。如本文中所使用的，“光子晶体”并不意味着具有完美结晶有序度的结构，但可以容忍一些程度的缺陷。例如，“光子晶体”可以包括在具有高介电常数和低介电常数的材料的空间中，具有一些水平的短和长范围周期性变化的结构。光子晶体结构可以影响电磁波如可见光的传播。
[0055]在某些实施方式中，在空间中的周期性变化可以以一维、两维或三维发生。在某些实施方式中，可以使用具有匹配可见光波长的周期的周期性结构材料。一些示例性的光子晶体结构包括多层堆叠、反蛋白石、阳极氧化铝结构、木料堆结构、直接蛋白石(directopal)、高度有序的纳米线森林、衍射光栅、平面2D光子晶体等。
[0056]在某些实施方式中，光子晶体可以通过使用一种或多种以下材料形成:陶瓷材料，如二氧化硅，二氧化钛，氧化锆，氧化铝等，以及它们的混合物;复合氧化物;有机聚合物型材料;无机聚合物型材料，如有机硅等;有机和无机矿物盐和晶体，如碳酸盐，硫酸盐，磷酸盐等;混合盐;其它矿物，如石英，蓝宝石等；金属和金属合金;硅等，以及它们的组合。在某些方面，高折射率材料可以使用二氧化硅、二氧化钛(tiania)、氧化锆、其它陶瓷材料或它们的混合物、聚合物型材料等形成。其他示例性材料包括金属氧化物，混合的金属氧化物，掺杂的金属氧化物，聚合物