Evaluation of Photonic Materials with Biomimetic Structural Coloration

Význam tématu

Strukturální kolorace představuje fenomén, kdy barvy nevznikají pigmenty, ale mikroskopickou strukturou materiálu, která selektivně odráží a interferuje světlo. Přírodní modely jako motýli rodu Morpho či páví peří inspirovaly vývoj biomimetických fotonických materiálů s intenzivními, tunovatelnými barevnými efekty. Tyto materiály slibují nové ekologické a energeticky efektivní aplikace v barvivech, optických senzorech či bezpečnostních prvcích.

Cíle a přehled studie

Cílem prezentované studie bylo synteticky připravit částice s melaninovou strukturou (PSt@PDA) a analyzovat jejich optické vlastnosti. Výzkum se zaměřil na vliv velikosti polystyrenových (PSt) jader a tloušťky polydopaminového (PDA) povlaku na spektrální polohu odrazu a úhel závislosti barvy.

Použitá metodika a instrumentace

Optickou charakterizaci provedli pomocí spektrofotometru SolidSpec-3700DUV vybaveného variabilním úhlovým absolutním reflektančním příslušenstvím a kvartzovým depolarizérem. Reflektanční spektra snímali v rozmezí 380–780 nm při úhlech dopadu 5°, 12°, 30° a 45°. Pro mikroskopickou analýzu uspořádání částic použili Nano Search Microscope SFT-4500 kombinující laserový a skenovací sondový mikroskop.

Hlavní výsledky a diskuse

1) Při konstantním průměru PSt jader se spektrální maximum odrazu posouvalo do červené oblasti (redshift) s rostoucí tloušťkou PDA povlaku. Barevné hodnoty L*a*b* ukázaly posun z modré přes zelenou k žluté.
2) Se zvětšujícím se průměrem PSt jader nastal redshift i bez povlaku; ten dále zesílil při tenké PDA vrstvě (iridescence).
3) Nárůst úhlu dopadu vedl ke vzniku blueshiftu u všech vzorků, což odpovídá úhlově závislým Braggovým odrazům v uspořádané struktuře.
4) SPM obrázky prokázaly, že tenká PDA vrstva zachovala pravidelné uspořádání částic (kolloidní krystal), zatímco silná vrstva vedla k amorfnímu rozložení a ztrátě iridescence.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje přesné řízení barevného odstínu a úhlové závislosti u biomimetických fotonických materiálů. To otevírá cestu k výrobě environmentálně šetrných inkoustů, optických kódů a bezpečnostních prvků s vysokou stálostí barev a bez nutnosti organických pigmentů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Vývoj tunovatelných fotonických panelů pro architektonické povrchy.
• Integrované biosenzory reagující změnou barvy na analytické signály.
• Bezpečnostní markery a antikorozní povlaky s variabilní optickou odezvou.
• Využití v zobrazovacích technologiích a displejích nové generace.

Závěr

Studie ukázala, že biomimetické částice PSt@PDA představují flexibilní platformu pro tvorbu strukturálních barev s kontrolovanou spektrální polohou a úhlovou závislostí. Kombinace optických měření a mikroskopie prokázala klíčovou roli velikosti jader, tloušťky povlaku a uspořádání částic pro výsledný barevný efekt.

Použitá instrumentace

• Spectrophotometer SolidSpec-3700DUV s variabilním úhlovým absolutním reflektančním příslušenstvím a DEQ-2OP kvartzovým depolarizérem.
• Nano Search Microscope SFT-4500 (kombinovaný LSM a SPM) pro analýzu povrchového uspořádání.

Reference

• Shimadzu Corporation. New World Opened Up by Biomimetics. 2016.
• Yoshioka S, Kinoshita S. Effect of Macroscopic Structure in Iridescent Color of the Peacock Feathers. Forma. 2002;17:169.
• Kawamura A, Kohri M, Morimoto G, Nannichi Y, Taniguchi T, Kishikawa K. Full-Color Biomimetics Photonic Materials with Iridescent and Non-Iridescent Structural Colors. Sci Rep. 2016;6:33984.