编译|| 少数異見

校正|| FM0199

研究摘要

神户大学工学研究科藤井稔教授(Minoru FUJII)团队成功开发出由硅纳米粒子制成的耐候性优异的结构色墨水。这种材料利用被称为Mie 共振的现象显色，可以通过纳米粒子尺寸大小自由控制色调，可以进行超高分辨率打印，可以对各种基材进行着色。具有与传统结构色不同的特点技术。未来，预计将应用于从油漆和颜料到化妆品、生物技术和安全的广泛应用。

研究亮点

・颜色可以通过Si纳米颗粒大小自由控制

・由稳定的无机纳米粒子构成的耐候性优异的结构性彩色墨水

・由于直径约为 100 纳米的纳米颗粒是显色源，因此原则上可以进行超高分辨率打印。

・广泛适用于涂料、化妆品、生物材料、安防等领域

研究背景

传统颜料和染料的主要问题是颜料会逐渐分解和变色甚至褪色。近年来，“结构色”作为一种不使用染料的着色技术引起了人们的关注。这是一种利用光散射、干涉和衍射的显色方法，显色材料具有接近波长大小的微细结构，通过形成在较长周期内排列的微细结构，呈现出鲜艳的色彩(Figure 1)。例如，蝴蝶的翅膀是典型的例子，其精细结构通过反射白光光谱中特定波长的光而显色。由于结构本身会显色，所以只要结构没有损坏，就可以半永久性地显色。但是显色的入射光角度依存性很大，必须精密控制的微细结构，以及和现有的印刷技术不匹配等问题，造成了其不能大面积推广等问题。

Figure 1. 孔雀和蝴蝶身上的结构色

研究内容

为了解决上述问题，在本研究中，我们重点研究了介电纳米粒子表现出的称为Mie共振现象。具有非常高的折射率（直径约 100 纳米）的球形硅纳米颗粒通过 Mie 共振强烈散射特定波长的光。如Figure 2下部的暗视场光学显微镜观察所示，当硅纳米粒子的尺寸从约100纳米变为约200纳米时，可以看到根据尺寸而产生的鲜明的散射显色。当相同大小的纳米粒子在宏观尺度上聚集时，我们可以在视觉上将它们感知为“颜色”。通过使用这项技术，可以在不依赖阵列结构的情况下开发新的结构色。此外，由于是纳米颗粒本身的显色而不是周期性排列而引起的构造色，因此具有角度依赖性小的特征。

Figure 2. 不同尺寸（粒径）硅纳米粒子的电子显微镜图像（上）和暗场光学显微镜图像（下）

像Figure 3中展示的那样，过去，为了获得Si的结构色，有使用激光照射Si基板或者是通过电子射线进行照射获得Si纳米颗粒的。但是多多少少在获得Si颗粒的质量，以及产量上会有一些问题。

Figure 3. 用激光和电子射线制取的Si结构色颗粒

在本研究中，开发了一种几乎真正的球形晶体硅纳米粒子合成技术，其在溶液中的分散技术，尺寸控制技术和尺寸选择技术，并且具有平均粒径在100-200 nm范围内的粒径分布(平均粒径) 我们成功地将直径(直径 标准偏差)控制在10%以下（Figure 4）。并且具有可生产性。

Figure 4. 制作的纳米Si粒子颗粒（左）和不同粒径下的吸光光谱（右）

结果，我们实现了呈现Figure 5 中所示结构颜色的纳米粒子墨水。开发的油墨可用于通用涂料和印刷工艺，因此可用作具有优异耐候性的涂料。此外，由于每个直径约为 100 纳米的粒子都是显色源，因此原则上可以进行超高分辨率打印。此外，由于硅的安全性高，因此有望作为一种新型无机颜料应用于化妆品和生物技术领域。

Figure 5. 不同平均粒径的硅纳米粒子油墨照片从左至右，墨水的平均粒径为 100 nm 至约 200 nm。

未来，该团队将通过进一步提高饱和度和反射率，扩大纳米粒子生产和粒径分离技术，建立可以大量生产高质量纳米粒子的工艺。此外，我们将寻求与材料和印刷技术相关的公司合作，力求将其作为不易褪色的油漆和特殊油墨投入实际应用。