一种基于表面改性黑色素颗粒的组装制备出的具有柔性且坚固结构的彩色薄膜 | MDPI Nanomaterials

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文章导读

来自日本千叶大学的 Michinari Kohri 教授及其团队在 Nanomaterials 期刊的发表文章中，成功使用具有低玻璃化转变温度 (T_g) 的 2-苯氧基乙基丙烯酸酯 (Poly Hydroxyethyl Acrylate, PHEA) 表面改性黑色素颗粒制备柔性且坚固的彩色薄膜。该方法将对实际材料和应用产生重大影响。

主要内容

如图 1 所示。首先，作者以氧化铈 (CeO₂) 颗粒为核，通过将多巴胺 (Dopamine, DA) 和原子转移自由基聚合 (Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP) 引发剂修饰的 DA 共聚，人工合成了表面具有 ATRP 引发剂的黑色素颗粒 CeO₂@PDA。其次，作者通过 ATRP 表面引发 HEA 单体聚合，亲水性 PHEA 包覆层形成在 CeO₂@PDA 表面，得到 CeO₂@PDA@PHEA(X) 颗粒；作者进行干燥处理后获得固体颗粒，并研究了 PHEA 壳层厚度对颗粒结构着色的影响。最后，作者对冷冻干燥样品 CeO₂@PDA@PHEA 颗粒进行热压和固化，制备结构彩色薄膜，并对其着色和物理性能进行了详细研究。

图 1. (a) CeO₂@PDA@PHEA 制备流程示意图；(b) 彩色薄膜制备过程。

从图 2 中可以清晰地观察到包覆层厚度的变化，PDA 层厚度约为 2 nm，同时随着原料 HEA 单体浓度增加，PHEA 层厚度也会随之增加 (5~24 nm)。

图 2. 透射电镜照片：(a) CeO₂；

(b) CeO₂@PDA；

(c) CeO₂@PDA@PHEA(5)；

(d) CeO₂@PDA@PHEA(11)；

(e) CeO₂@PDA@PHEA(16)；

(f) CeO₂@PDA@PHEA(24)；

(g) 原料 HEA 单体对 PHEA 包覆层厚度以及在 CeO₂@PDA@PHEA 含量的影响。

CeO₂ 水分散液是乳白色，CeO₂@PDA 和 CeO₂@PDA@PHEA(X) 的水分散液则是浅棕色。如图 3 所示，CeO₂ 和 CeO₂@PDA 粉体颗粒颜色是白绿色和亮绿色。在 CeO₂@PDA@PHEA(X) 系列样品中，随着 PHEA 壳层厚度增加，颜色由绿色逐渐过渡为红色。

图 3. 扫描电镜照片以及光学显微镜照片：

(a) CeO₂；

(b) CeO₂@PDA；

(c) CeO₂@PDA@PHEA(5)；

(d) CeO₂@PDA@PHEA(11)；

(e) CeO₂@PDA@PHEA(16)；

(f) CeO₂@PDA@PHEA(24)；

(g) 上述样品的反射光谱。

如图 4 所示，CeO₂@PDA@PHEA(16) 和 CeO₂@PDA@PHEA(24) 薄膜在目前的实验条件下表现出类似的应力-应变行为，且不会断裂，这表明薄膜的坚固性。在 5~15% 压缩应变区域计算，增加 PHEA 壳层厚度会降低薄膜杨氏模量，表明薄膜随着 PHEA 壳层厚度的增加而变得更加柔韧。

图 4. (a) 压缩应力测试；(b) 杨氏模量测试；(c) 在 CeO₂@PDA@PHEA(24) 所制备的薄膜弯曲和裁剪照片。

文章总结

表面包覆有亲水性、低 T_g 的 PHEA 壳层的黑色素颗粒可以简单地热压形成结构性彩色薄膜。冷压冷冻干燥 CeO₂@PDA@PHEA 样品具有周期性的微观结构，不同的壳层厚度呈现出不用的颜色。所得到的结构彩色薄膜是柔性的、自支撑的，并且易于切割加工。本文所提出的以黑色素颗粒为单一组分获得高度可见的结构彩色薄膜的方法将使材料制造更简单，并扩大结构彩色材料的应用可能性。

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原文出自 Nanomaterials 期刊

Yoshioka, D.; Kishikawa, K.; Kohri, M. A Flexible and Robust Structural Color Film Obtained by Assembly of Surface-Modified Melanin Particles. Nanomaterials 2022, 12, 3338. 

   Nanomaterials 期刊介绍

主编：Shirley Chiang, University of California Davis, USA

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。

2021 Impact Factor	5.719
2021 CiteScore	6.6
Time to First Decision	15.4 Days
Time to Publication	33 Days

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特约撰稿人：滕勇强 硕士

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