Группа исследователей, связанная с UNIST, разработала новый метод синтеза частиц на полимерной основе, которые имитируют потрясающий переливчатый эффект опаловых драгоценных камней. Этот инновационный подход использует наноструктурированные пористые микрочастицы, состоящие из линейных блок-сополимеров, предлагая устойчивую и масштабируемую альтернативу традиционным красителям и пигментам.
Исследование опубликовано в Angewandte Chemie International Edition.
Опаловые драгоценные камни известны своим завораживающим, меняющим цвет внешним видом, который возникает из-за их уникальной внутренней наноструктуры из кремнезёмных сфер, расположенных в определённом порядке.
Вдохновлённая этой природной архитектурой, профессор Кан Хи Ку и её исследовательская группа из Школы энергетики и химической инженерии в UNIST использовали амфифильные линейные блок-сополимеры, в частности поли(стирол-блок-4-винилпиридин) (PS-b-P4VP), для создания обратных фотонных стеклянных микрочастиц с независимыми от угла зрения яркими цветами.
Эти частицы имеют наноразмерные поры, расположенные в полимерной матрице, что позволяет производить структурно окрашенные пигменты без использования химических красителей, которые со временем выцветают.
Ключевым нововведением является масштабируемый процесс создания эмульсий, который вызывает проникновение воды на границе раздела фаз, образуя наноразмерные водные домены в органической фазе. По мере испарения растворителя эти домены затвердевают в пористые наноструктурированные частицы, напоминающие обратную структуру расположения кремнезёмных сфер в натуральном опале.
Полученные микрочастицы имеют размер порядка десятков микрометров, а их внутренние пористые структуры — в сотни раз меньше, что эффективно контролирует их оптические свойства.
Этот процесс использует принципы науки о межфазных явлениях, где вода проникает в полимерные частицы через явления поверхностной нестабильности. Внешняя оболочка частиц состоит из полистирола, который является гидрофобным и предотвращает проникновение воды, в то время как внутренняя структура определяется характеристиками самосборки блок-сополимера.
Отличительный химический состав блоков позволяет точно настраивать размер пор, толщину оболочки и, следовательно, видимый цветовой выход по всему спектру. Примечательно, что полученные пигменты демонстрируют постоянный цвет независимо от угла зрения — значительное преимущество перед натуральным опалом, который отображает цветовые вариации в зависимости от угла наблюдения.
Исследователи продемонстрировали универсальный контроль цвета путём регулировки типов поверхностно-активных веществ, молекулярных масс и химических модификаций сополимеров. Они также успешно диспергировали эти частицы в гидрогелях с высоким содержанием влаги для изготовления оптических чернил, способных создавать сложные печатные узоры с помощью стандартных методов печати.
Профессор Ку прокомментировала: «Используя относительно простые линейные структуры блок-сополимеров, мы разработали универсальную платформу для получения ярких, независимых от угла зрения структурных цветов. Эта технология перспективна для применения в дисплеях, защитных функциях и функциональных покрытиях».
Предоставлено Усанским национальным институтом науки и технологий.