光学魔术——斑斓的微结构色.pdf

大 学 化 学
Univ. Chem. 2022, 37 (5), 2111037 (1 of 9)
 
•化学实验• doi:
内的色素引起，即电子在色素分子轨道的跃迁而对可见光产生特定的吸收与反射。而结构生色则是
生物体表面的微纳结构使光发生反射和散射，从而产生特殊的颜色效应[1]。
自然界中存在很多颜色斑斓的生物材料，蝴蝶鳞片、鸟类羽毛、贝壳与甲虫等生物绚丽的色泽
主要源于体表精细微纳结构与可见光发生干涉、衍射、散射等复杂光学反应形成的结构色[2]。最常
见的结构色是天然蛋白石，其微观结构为由纳米胶体颗粒组装成的三维光子晶体结构。受此启发，
 
收稿：2021-11-11；录用：2021-11-29；网络发表：2022-03-25
*通讯作者，Email: ******@
基金资助：国家自然科学基金(21765005)；广西自然科学基金(2020GXNSFBA297116, 桂科 AD19110096)大 学 化 学 Univ. Chem. 2022, 37 (5), 2111037 (2 of 9) 
可将溶液中的多分散粒子组装成有序结构的光子晶体，搅拌后约20 s内周期性地恢复其彩虹色，并
在干燥后保持特定结构，因此能够直接用于书写和绘画。结构色比化学色拥有更高的饱和度，色彩
鲜艳，对环境友好且不易褪色，应用广泛，因此更多科学家开始关注结构色的研究。本实验采用Stober
法合成了不同粒径的单分散SiO2纳米微球。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、红外光谱仪对
微球进行表征，确认通过简单调节正硅酸乙酯和氨水的配比，便可得到不同粒径的SiO2纳米微球。这
些纳米微球在溶液中及干燥后显现出不同的颜色。以得到的SiO2纳米微球作为结构色墨水，可以完
成丰富多彩的作品展示。

1 实验部分
实验原理
光子晶体结构产生结构色
光子晶体是指由两种及以上具有不同介电常数的介质在空间按一定周期性排列从而形成的一种
晶体材料，其基本特征是具有光子带隙(或光子禁带)。由于光子带隙的存在，光子晶体可对电磁波的
传播进行调制。当其带隙落于可见光波段，即380–780 nm的范围内，与之相近波长的电磁波将无法
进入晶体内部，而是被光子晶体层选择性反射，进而在周期性排列的光子晶体表面形成相干衍射，其
中的相长干涉反射光对人体视觉系统发生刺激，就会产生明艳亮丽的结构色效果。
光子晶体能够产生结构色是晶格周期性排列的直接结果，遵循光学中的布拉格衍射定律，方程
式如下所示：
md  2sinB
其中，m为衍射级，λ为入射光的波长，d为晶面间距，θB则是入射光与晶面间的夹角，即布拉格角。
图1即为光子晶体产生结构色的示意图。