大连理工大学武素丽教授：基于氧化亚铜单晶球Mie散射实现色彩靓丽、无虹彩的、高色牢度的彩色织物

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我们日常生活的服装都离不开颜色，因此织物的着色在国民经济中具有重要的地位。传统的织物着色是利用染料或颜料来实现的。然而，染料或颜料的复杂分子不仅生产过程复杂、每一只染料只能产生一个颜色，而且在染色过程也存在用水量大、废水处理成本高和染色织物经长时间照射易褪色等问题。相比之下，结构色的颜色来源于光与微观结构的相互作用，具有生态友好、色彩鲜艳、抗褪色等优点，有望成为一种新型纺织品着色剂。目前，结构色着色织物的研究主要集中于在织物表面构筑多层光子晶体或非晶光子晶体结构，利用其光子带隙对光的反射来产生颜色。受到这种结构色的生色机理和多层结构的限制，在织物上同时实现靓丽、无虹彩、高色牢度的色彩输出仍然是一个很大的挑战。

鉴于此，大连理工大学武素丽教授报道了一种基于氧化亚铜（Cu₂O）单晶球Mie散射产生靓丽的、无虹彩的、高色牢度的织物着色策略。采用喷雾法在商业粘合剂预处理的织物表面制备了无序的Cu₂O薄层(~0.6 μm)。由于Cu₂O单晶球的强Mie散射，该薄层能产生靓丽、无虹彩的结构色。更重要的是，Cu₂O薄层可以被商用粘合剂牢牢地固定在织物表面，使得织物的色牢度大幅度提高。结构色织物的干摩擦、湿摩擦、光摩擦牢度分别可达到5级、4级、6级，足以抵抗摩擦、光漂白、水洗、漂洗、拉伸等外力破坏。相关工作以“Structural Colored Fabrics with Brilliant Colors, Low Angle Dependence, and High Color Fastness Based on the Mie Scattering of Cu₂O Spheres”为题发表在国际期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

图1 织物的着色过程示意图

织物的着色过程大致可分为三个步骤，即配置商用粘结剂和Cu₂O单晶球分散液、喷涂商用粘结剂对织物的预处理、喷涂Cu₂O单晶球对织物着色。最终，在织物表面构筑了一层或两层半嵌入粘结剂层中的无序Cu₂O单晶球聚集体(~0.6 μm厚)。由于Mie散射效应，无序Cu₂O单晶球聚集体而非三维周期性结构，即可产生靓丽的结构色。此外，织物的颜色可以通过改变Cu₂O球的粒径来进行调节，已得到紫色、青色、绿色、黄绿色、黄色和橙色织物。通过模板的掩蔽，可以在织物上得到复杂精细的印花图案。 

图2 结构色织物图案的数码照片、结构示意图以及结构的微观SEM图

此外，获得的结构色不仅仅是镜面角度，而是在任何观察角度都可以保持相似的色调（图3）。固定入射光的方向和观察角度，将样品分别逐渐沿水平轴和垂直轴翻转，当观察位置从5°移动到50°时，织物的颜色几乎没有变化，满足了人们对颜色的需求。

 图3结构色织物在不同视角下的数码照片图

值得注意的是，通过商用粘结剂将Cu₂O球固定在织物上赋予了其极高的耐摩擦牢度和耐晒牢度。根据织物的色牢度标准ISO 105-X12:1993和GB/T 5718-1997，结构色织物的干摩擦、湿摩擦、耐晒牢度分别能达到5级、4级、6级，证明了结构色织物具有优异的抗褪色性能。此外，结构色织物还具有耐洗性，即使在快速水流漂洗后，结构色织物仍能保持其结构颜色而不受任何损伤(图4)。彩色织物经过揉搓、拉伸或长时间放置在空气中，其结构颜色均没有变化(图5)，证明了结构色织物的稳定性、耐洗性。

图4 水流冲洗前后、揉搓前后、拉伸后的结构色织物的数码照片

小结：作者巧妙利用Cu₂O单晶球的Mie散射性质，采用喷涂法成功在织物表面构筑了无序Cu₂O单晶球聚集体结构（~0.6 μm，3 g/m²)，获得了明亮、无彩虹的结构色。通过商用粘结剂将无序生色薄层牢牢固定在织物表面，赋予织物极高的耐摩擦牢度和耐晒牢度，足以抵抗摩擦、光漂白、洗涤、漂洗、揉搓、拉伸及其他机械外力破坏。作者提出了一种新的、简便、环保的织物着色策略，突破了目前结构色织物生色的固有模式，实现了靓丽、高牢度结构色，为纺织品着色及结构色的其它实际应用开辟了一条实用的道路。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c17288?ref=PDF

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