中科院苏州纳米所赵志刚研究员ACS Nano：MXene结构色技术，单一墨水喷涂即可实现全彩实时调控

近年来，结构色因其高饱和度、不褪色和环境友好等优势，成为替代传统化学染料的研究热点。然而，现有结构色技术大多依赖复杂且昂贵的微纳加工工艺，一旦制备完成便难以再调整颜色，限制了其在个性化定制和大规模应用中的潜力。

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所赵志刚研究员团队提出了一种基于MXene墨水的喷涂自组装新方法，能够高效、可定制地制备结构色薄膜。该方法利用单一墨水，通过调控喷涂时间、墨水浓度和基底温度等参数，在预设计的铝/氧化铟锡（Al/ITO）基底上原位构建法布里-珀罗（F–P）光学谐振腔，实现实时、大范围的颜色调节，色相可在70秒内覆盖近360°全色域，色彩表现甚至媲美商业印刷标准。相关论文以“ In Situ Construction of Optical Resonators from MXene Inks for Highly Modifiable and Scalable Structural Colors ”为题，发表在 ACS Nano 上，论文第一作者为 Zhu Baohang和Li Yaowu。

研究人员首先设计了一种三层结构（Al/ITO/MXene），其中铝作为高反射层，ITO为无损介质层，MXene则作为高折射率、高损耗的顶层材料，共同构成不对称F–P谐振腔。通过喷涂MXene墨水，纳米片在溶剂蒸发过程中自组装成平整致密的薄膜，其厚度随喷涂时间线性增加，从而改变共振条件，产生从黄、橙、红、紫、蓝、青到绿等多种颜色。图1展示了该技术的整体概念与结构设计，包括喷涂工艺示意图、三层结构的截面SEM图像以及光在谐振腔中的传播路径。与单一MXene层或Al/MXene双层结构相比，三层谐振腔展现出更鲜艳的结构色。

图1. 使用喷涂MXene墨水构建法布里-珀罗共振结构色的概念与设计。 (a) 利用单墨水喷涂工艺创作艺术品的概念演示，替代复杂的传统绘画方法。 (b) 用于产生结构色的Al/ITO/自组装MXene层结构示意图。 (c) Al/ITO/自组装MXene三层结构的截面SEM图像。比例尺：100 nm。 (d) 光在Al/ITO/MXene F–P共振腔中传播的示意图。 (e) 三种结构类型的光学图像（1×1 cm²）对比。

图2进一步揭示了该结构色体系的高度可调性。随着MXene层厚度从5 nm增加至125 nm，反射光谱中的共振谷发生超过150 nm的红移，色相实现全环变化。此外，通过协同调控ITO层厚度和喷涂时间，研究人员不仅能精确控制颜色明暗渐变，还能构建出覆盖CIELAB广色域的丰富色彩矩阵，其色域范围甚至超过了某些商业印刷标准（如CRPC1和CRPC6）。该结构色还表现出良好的角度不敏感性和长期稳定性。

图2. 自组装结构色表面的高度可调光学性能。 (a) 具有不同MXene层厚度的Al/ITO/自组装MXene三层结构的截面SEM图像。左上插图为对应MXene厚度（hₘ）下的结构色表面光学图像。 (b) 不同MXene层厚度下结构色表面的反射光谱及对应光学图像。 (c) 结构色表面色相值与喷涂时间及hₘ的关系。 (d) 通过协同调控hₘ和hᵢ实现颜色明度的精细控制。 (e) 不同tₘ和hᵢ值对应的全色相色彩矩阵。 (f) 结构色样品在CIELAB色彩空间中的色度坐标与ISO/PAS 15339–2中CRPC 1和CRPC 6标准的对比。

图3重点分析了影响结构色质量的关键因素。MXene薄膜的自组装质量直接决定光学共振效果。研究表明，使用低表面张力的乙醇作为溶剂有利于墨水铺展和纳米片有序排列，从而形成更平整的薄膜，增强F–P共振效应。此外，较低的MXene浓度和接近乙醇沸点的基底温度也有助于提高薄膜质量和颜色饱和度。这些参数的优化显著提升了结构色的视觉表现和光学性能。

图3. 高质量结构色的关键因素。 (a) 溶剂蒸发诱导MXene纳米片组装成膜的示意图，有效组装有助于形成更平整的涂层，从而产生强光学共振和显著的反射光谱峰差。 (b) 不同溶剂比例墨水喷涂所得结构色表面的光学图像[第1行(i)-(v)]、3D共聚焦显微图像[第2行(i)-(v)]和表面粗糙度伪彩图像[第3行(i)-(v)]，其中Sa代表表面粗糙度。 (c) 不同溶剂比例的表面张力及其在基底表面的接触角图像。 (d) 不同溶剂比例墨水所得结构色的反射光谱。 (e) 基于梯度溶剂比例的结构色峰差与颜色饱和度变化的关系。 (f) 基于梯度MXene浓度的结构色峰差与颜色饱和度变化的关系。 (g) 在不同基底温度下喷涂所得结构色的峰差与颜色饱和度变化的关系。

图4展示了该技术在图案化、高精度打印和大规模制备方面的应用潜力。通过掩模喷涂，研究人员实现了“七色花”图案的实时着色；借助商用丝网印刷设备，更实现了精度低于70 μm的单点喷涂，成功复现人像细节。最后，该技术还在0.3×2 m²的大面积钢卷上实现均匀且鲜艳的结构色喷涂，显示出出色的可扩展性。

图4. 结构色薄膜的图案化、精细化与可扩展制备。 (a) 使用掩模模板通过喷涂制作花卉图案。 (b) 通过不同时长喷涂实现“七色花”原位“开花”过程。 (c) 用于喷涂复现人像的模板图案。 (d–f) 使用商用印刷工具精细喷涂复现人像。 (g) 柔性、米级结构色薄膜的照片。

该研究开发了一种基于单一MXene墨水的喷涂成型技术，能够实现结构色的大面积、实时原位调控，解决了传统结构色制备中难以修改和大面积加工的难题。该方法不仅色彩丰富、饱和度高，还具有高度的定制化和良好的稳定性，为结构色在显示、装饰、防伪等领域的应用提供了更灵活、高效的解决方案。

来源：高分子科学前沿

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