Strukturno obarvani sekundarni delci, sestavljeni iz črno-belih koloidnih delcev | znanstvena poročila

Strukturno obarvani sekundarni delci, sestavljeni iz črno-belih koloidnih delcev | znanstvena poročila

Anonim

Predmeti

  • Koloidi
  • Nanodelci
  • Optični materiali
  • Fotonski kristali

Izvleček

Ta študija je preučila barvite sekundarne delce, ki so nastali z nadzorom agregacijskih stanj koloidnih delcev silicijevega dioksida in povečanjem strukturne obarvanosti sekundarnih delcev, ki nastanejo z dodajanjem črnih delcev. Dobili smo sijajne, delno strukturno obarvane sekundarne delce v odsotnosti NaCl, toda mat, belkaste sekundarne delce smo dobili v prisotnosti NaCl. Ko smo majhno količino saj vključili v obe vrsti sekundarnih delcev, se je nekoherentno večkratno razprševanje svetlobe iz amorfne regije znatno zmanjšalo. Vendar pa so bile največje intenzivnosti v odsevnih spektrih, ki jih povzročajo Bragg-ov odsev in skladno enojno valovanje, le nekoliko zmanjšane. Posledično smo s prostim očesom opazili svetlejšo strukturno barvo teh sekundarnih delcev. Ko smo dodali magnetit kot črni delček, lahko barvne sekundarne delce premaknemo in zberemo z uporabo zunanjega magnetnega polja.

Uvod

Agregati, sestavljeni iz drobnih submikronskih sferičnih koloidnih delcev (v nadaljnjem besedilu "koloidni delci"), lahko kažejo zmanjšanje gostote optičnih stanj (DOS) v območju vidne svetlobe, odvisno od stanj agregacije in kontrasta indeksa loma. fotonske strukture 1, 2, 3, 4, 5 . V številnih prejšnjih poročilih je bilo potrebno, da imajo agregati koloidnih delcev dolgoročen red in periodičnost, tj . Koloidno kristalno strukturo, da bi popolnoma zatirali DOS ali pokazali vrzel fotonskega pasu (PBG). Takšno združevanje lahko pokaže strukturno barvo kot rezultat odboja PBG določenih valovnih dolžin vidne svetlobe. Vendar je bilo pred kratkim ugotovljeno, da koloidni amorfni nizi kažejo tudi strukturne barve kljub pomanjkanju dolgega obsega. Mehanizmi obarvanja amorfnih sistemov so bili interpretirani kot enoten (in delno dvojni) postopek sipanja svetlobe s kratkim dosegom 6, 7, 8, 9, medtem ko je več raziskav nakazalo, da je v DOS-u prišlo do velikega zatiranja, kar ima za posledico v obarvanosti 10, 11, 12 . Karakteristike obarvanja teh agregatov naj bi se razlikovale glede na vrsto združevanja koloidnih delcev: koloidni kristal ima sijajno in od kota odvisno strukturo, odvisno od kotov gledanja in osvetlitve, medtem ko ima koloidni amorfni niz mat in kotna konstrukcijska barva 8, 13, 14, 15 .

V zadnjih dveh desetletjih so bili membranski sklopi koloidnih delcev predmet obsežnih raziskav 16, 17, 18, 19, 20, 21 zaradi njihove potencialne uporabe na varčnih zaslonih 22 in senzorjih 23, ki uporabljajo optične značilnosti teh sklopov. Pred kratkim so raziskovalci zaradi napredka tehnologij za pripravo koloidnih sklopov lahko pripravili ne samo membranske sklope, temveč tudi sklope različnih oblik in velikosti 24, 25 . Eden najbolj obiskanih sklopov je sekundarni delček, ki je tvorjen iz koloidnih delcev, ki je uporaben za razvoj obarvanih materialov, ki se uporabljajo v prikazovalnikih in za biološke in kemične preseke 26, 27, 28, 29, 30, 31 . Ker strukturno obarvani sekundarni delci ne vsebujejo običajnih barvil, lahko pokažejo barvo, ki ne zbledi. Ker so kemijske vrste, ki so trenutno na voljo za izdelke, omejene in predstavljajo veliko okoljsko tveganje, se lahko strukturno obarvani sklopi, sestavljeni iz varnejših kemikalij, uporabljajo kot okolju prijazni pigmenti 13 . Na primer, ker so barvila in pigmenti, ki so na voljo za kozmetične izdelke, strogo nadzorovani, se pričakuje, da bodo strukturno obarvani materiali, pripravljeni iz varnejših koloidnih delcev, uporabni kot novi barviti pigmenti.

V tej raziskavi smo pripravili barvite sekundarne delce z nadzorom agregacijskih stanj koloidnih delcev in dodajanjem črnih delcev v agregacije. Za ustvarjanje sekundarnih delcev smo uporabili okolju prijazne materiale, ki so jim omogočili uporabo kot zeleni pigmenti. Fino koloidni delci kremena (v nadaljnjem besedilu "delci kremena") so bili uporabljeni kot koloidni delci, ki so s prostim očesom beli, če so koloidni delci v naključnem stanju. In vivo 32 strupenost delcev kremena s premerom večjim od 300 nm ni bila zaznana. Kot črne delce smo uporabili saj (CB) ali magnetit, za oba pa je znano, da so okolju prijazni in biološko neškodljivi pigmenti.

Rezultati

Najprej opišemo videz sekundarnih delcev, sestavljenih samo iz delcev kremena. Za pripravo sekundarnih delcev v značilnem poskusu smo dodali kapljice vodne suspenzije delcev kremena (s premerom 280 ali 360 nm) v mešano oljno fazo pri 60 ° C v bučki z okroglim dnom z uporabo mikroskope 30 . Potem ko je reakcija trajala več kot 12 ur, smo dovolili, da mešanica doseže sobno temperaturo pred zbiranjem usedlin. Usedline smo sprali z n-heksanom in nato posušili v peči. Nato smo dobili posušene in sferične sekundarne delce, sestavljene iz delcev kremena s koeficientom variacije 15%. Povprečno velikost sekundarnih delcev lahko spremenimo od 100 do 500 μm s spreminjanjem notranjega premera igle, povezane z mikroskopom in hitrosti kapljanja suspenzije v naših eksperimentalnih pogojih. Sijajni sekundarni delci so bili dobljeni, ko je bila čista voda uporabljena kot disperzijski medij za suspenzijo (sliki 1a in 1b). Površina sijajnih sekundarnih delcev je bila dovolj gladka, da je omogočila, da se mikroskopska svetloba odbija z mikroskopom z belo svetlobo. Obročasta barva v obliki obroča je postala rdeča, ko smo uporabili delce kremena s premerom 360 nm. Enako optično lastnost so imeli tudi sijajni sekundarni delci, sestavljeni iz delcev kremena s premerom 280 nm, obročaste barve v obliki obroča pa so postale svetlo zelene. Vendar so sekundarni delci, pripravljeni z vodno suspenzijo delcev kremena in NaCl, pokazali barvo, ki je izgledala mat in bela, ne glede na velikost delcev kremena (slika 1c). V čisti vodi delci kremena verjetno tvorijo kristalno strukturo, ki ni tesno zaprta, zaradi odbojne sile med električnimi dvojnimi plastmi vsakega delca, ko vodno suspenzijo koncentriramo v vročem olju 33 . Posledično se po sušenju oblikuje tesno zaprta kristalna struktura, podobna kristalni strukturi, ki ni zaprta. Strukturna barva mora nastati zaradi pojava p-PBG zaradi nastanka kristalne strukture, sestavljene iz delcev kremena 34 . Nasprotno pa se debelina električnega dvojnega sloja delcev kremena zmanjšuje, ko se vodni suspenziji doda NaCl, ki deluje kot elektrolit v vodi; posledično se odbojna sila med delci kremena zmanjšuje. Zato delci kremena flokulirajo z izhlapevanjem vode. Tako se zdi, da delci kremena tvorijo amorfni niz v posušenem stanju sekundarnih delcev. Čeprav lahko amorfni sklop delcev silicijevega dioksida razkrije konstruktivno refleksijo, značilno za valovno dolžino, je opazovanje strukturne barve iz relativno debelega amorfnega niza težko zaradi velikega prispevka nekoherentnega večkratnega razkroja 13, 14, 35 .

Image

(a) Sekundarni delci, sestavljeni iz delcev kremena s premerom 360 nm, ki jih gledamo pod mikroskopom. (b) Sekundarni delci, sestavljeni iz delcev kremena s premerom 280 nm, ki jih gledamo pod mikroskopom. (c) Sekundarni delci, sestavljeni iz delcev kremena s premerom 360 nm, pripravljeni z dodatkom NaCl.

Slika v polni velikosti

Koloidni kristali in koloidni amorfni nizi, sestavljeni iz koloidnih delcev, ki vsebujejo majhno število črnih delcev, kot je CB, imajo znane svetle strukturne barve zaradi zmanjšanja neskladnega sipanja, ki je posledica dodajanja črnih delcev 13, 14 . V tej raziskavi je bila v sekundarne delce prvič vnesena majhna količina CB. Slika 2a prikazuje optično sliko sijajnih sekundarnih delcev, sestavljenih predvsem iz delcev kremena s premerom 360 nm, z dodatkom CB in brez njega. Sijajni sekundarni delci s CB so videti rdeče barve, sijajni sekundarni delci brez CB pa so s prostim očesom beli. Če jih opazujemo z mikroskopom, so sijajni sekundarni delci s CB popolnoma rdečo barvo; poleg tega se jasno opazi zrcalno odsevna luč v obliki obroča, ki je videti rdeče barve (slika 2b). Ta opažanja kažejo, da obstajata dva odsevna mehanizma, ki povzročata rdečo barvo sekundarnih delcev: razpršen in zrcalni. Zanimivo je, da smo ugotovili, da metoda osvetlitve močno vpliva na kotno odvisnost. Fige. 3a in 3b prikazujeta barvno vedenje sijajnih sekundarnih delcev s CB na ravni črni plošči glede na osvetlitev in vidni kot. Vzorce smo opazovali pod različnimi koti glede na normalen položaj ravninske površine črne plošče. Pri razpršeni osvetlitvi se barva sijajnih sekundarnih delcev s CB le rahlo spremeni s kotom gledanja (slika 3a), medtem ko se pri usmerjeni osvetlitvi barva sijajnih sekundarnih delcev s CB drastično spremeni s kotom gledanja (sl. . 3b). Slika 4a prikazuje optično sliko sekundarnih delcev, pripravljenih iz vodnih suspenzij delcev kremena s premerom 360 nm s CB in NaCl (levo) v primerjavi s sliko sekundarnih delcev, pripravljenih samo s CB (desno). Tudi sekundarni delci, dobljeni s CB in NaCl, so imeli svetlo rdečo barvo, čeprav je bila rdeča barva nekoliko bleda in mat. Poleg tega, ker se lahko položaj vrha v odsevnih spektrih od sekundarnih delcev razlikuje glede na velikost delcev kremena, smo z različnimi velikostmi delcev kremena dobili različno obarvane sekundarne delce (slika 4b). Vemo, da tako enotno koherentno sipanje, ki je selektivno z valovno dolžino, kot večkratno sipanje svetlobe po celotnem vidnem območju prispevajo k optičnim lastnostim amorfnih nizij. Ko je CB vključen v sekundarne delce, se je večkratno razprševanje svetlobe znatno zmanjšalo, medtem ko se je največja intenzivnost odbojnosti, ki jo povzroča enojno sipanje, le nekoliko zmanjšala. Posledično je nasičenost strukturne barve sekundarnih delcev dovolj povečana, da jo je mogoče opazovati s prostim očesom.

Image

(a) Sekundarni delci, sestavljeni iz delcev kremena s premerom 360 nm in CB (levo). Sekundarni delci, sestavljeni iz delcev kremena s premerom 360 nm (desno). (b) Sekundarni delci, sestavljeni iz delcev kremena s premerom 360 nm in CB (levo). Sekundarni delci, sestavljeni iz delcev kremena s premerom 360 nm (desno).

Slika v polni velikosti

Image

(a) Sekundarni delci, sestavljeni iz delcev kremena s premerom 360 nm in CB, gledani pod razpršeno svetlobo na 18 mm × 18 mm pokrovnem steklu. (b) Isti vzorec z (a), ki ga gledamo pod usmerjeno svetlobo.

Slika v polni velikosti

Image

(a) Sekundarni delci, sestavljeni iz delcev kremena s premerom 360 nm in CB, pripravljeni z NaCl in brez. b) Sekundarni delci, sestavljeni iz delcev kremena s premerom 360 nm in CB (levo). Sekundarni delci, sestavljeni iz delcev kremena s premerom 280 nm in CB (desno).

Slika v polni velikosti

Za raziskovanje mikrostrukture smo najprej opazovali agregacijska stanja delcev kremena v sekundarnih delcih s pomočjo skenirajočega elektronskega mikroskopa (SEM). Slika 5 prikazuje SEM slike sijajnih sekundarnih delcev. Urejeno koloidno kristalno strukturo delcev kremena lahko opazimo na površini sijajnega sekundarnega delca (slika 5a). Te sekundarne delce z urejeno kristalno strukturo so preučile številne skupine in so znane kot "fotonska kroglica" 30 . Vložek na sliki 5a predstavlja sliko Fourierjeve transformacije (FT), ki ima šestkratno simetrijo; združevanje delcev kremena povzroči koloidni kristal z dolgim ​​razponom in periodičnostjo. V območju koloidnega kristala obstajajo meje zrn, ki segajo od nekaj mikrometrov do nekaj deset mikrometrov, ki so podobne tistim, ki jih najdemo v membranskih koloidnih kristalih. Vendar na podlagi slik prečnega prereza, prikazanih na sl. 5b in 5c, delci kremena tvorijo naključno postavitev znotraj sekundarnih delcev, hkrati pa tvorijo kristalno strukturo na površini. Čeprav se debelina kristalne strukture razlikuje v različnih regijah, delci kremena tvorijo kristalne strukture, ki segajo v debelino od šest do deset plasti. Na podlagi teh strukturnih informacij sklepamo, da obstajata dva mehanizma, povezana z obarvanjem sijajnih sekundarnih delcev, kot je navedeno v prejšnjem odstavku. Prvi mehanizem je razvoj barve z Braggovim odsevom, ki ga povzroči razporeditev kristalov na površini, drugi pa razvoj barve s skladnim enojnim raztresenjem iz razporeditve amorfnega niza. Slika 5d predstavlja SEM sliko, ki razkriva površino in notranjost sijajnega sekundarnega delca, ki vsebuje majhno količino CB. Opažamo, da je CB razpršen po sekundarnem delcu. Zato smo potrdili, da se CB lahko s postopkom priprave enakomerno razprši v sekundarnem delcu.

Image

(a) SEM slika sijajnega sekundarnega delca, sestavljenega iz 360 nm delcev kremena. Vstavljanje predstavlja povečavo SEM slike in FT slike. (b) SEM slika prečnega prereza sijajnega sekundarnega delca, pripravljena z mletjem sijajnega sekundarnega delca v tekoči dušik. (c) SEM slika prečnega prereza sijajnega sekundarnega delca, pripravljena z mikrotomiranjem vdelanega vzorca. (d) SEM slika površine sijajnega sekundarnega delca. CB je označen s puščicami.

Slika v polni velikosti

V nasprotju s tem smo opazili, da delci kremena tvorijo enakomerno in naključno razporeditev v matičnih sekundarnih delcih, ne glede na površino in notranjo strukturo (slika 6). Vzorec krožnega obroča na sliki FT, prikazan na vstavku na sliki 6a, kaže, da je mikrostruktura agregatov, sestavljenih iz delcev kremena, izotropna in ima kratkoročni vrstni red. Na slikah prečnega prereza nismo mogli opaziti razlik v razporeditvi delcev kremena med površino in notranjostjo sekundarnih delcev (sliki 6b in 6c). Kot je prikazano zgoraj, smo potrdili, da delci kremena tvorijo amorfno matriko v matičnih sekundarnih delcih, dobljenih z dodajanjem NaCl vodni suspenziji.

Image

(a) SEM slika matiranega sekundarnega delca, sestavljenega iz 360 nm delcev kremena. Vstavljanje predstavlja povečavo SEM slike in FT slike. (b) SEM slika prečnega prereza matiranega sekundarnega delca, pripravljena z mletjem matičnega sekundarnega delca v tekočem dušiku. (c) SEM slika prečnega prereza matiranega sekundarnega delca, pripravljena z mikrotomiranjem vdelanega vzorca.

Slika v polni velikosti

Izmerjeni so bili odsevni spektri sekundarnih delcev in zagotavljajo informacije o notranji mikrostrukturi sekundarnih delcev. Slika 7a prikazuje odsevne spektre sijajnih in matiranih sekundarnih delcev, sestavljenih iz delcev kremena s premerom 360 nm. Pri sijajnih sekundarnih delcih smo opazili vršno valovno dolžino λ max 660 nm in pol pasovne širine Δ λ približno 80 nm. Vrednost Δ λ / λ max je 0, 121, kar je večja od vrednosti 0, 049, ki smo jo teoretično dobili za (111) ravnino obraza, usmerjenega v kubični opalni kristal, ki je energijsko najbolj stabilna 36 . Ta razlika je lahko posledica omejenega števila kristalnih plasti ali zaradi nepopolne razporeditve primarnih delcev. Nasprotno smo v odsevnem spektru matičnega sekundarnega delca opazili λ max 645 nm. Polovna širina vrha Δ λ vrha matičnega sekundarnega delca je bila znatno širša od tiste, ki je bila opažena za vrh svetlečega delca, kar je značilna optična lastnost koloidnega amorfnega niza 35, 37 . Čeprav smo konstruktivni odsev valovne dolžine opazili pri obeh vrstah sekundarnih delcev v odsevnih spektrih, smo opazili tudi močno razprševanje svetlobe na celotnem vidnem območju v obeh spektrih. To močno razprševanje svetlobe je nekoherentno večkratno razprševanje posameznih delcev znotraj sekundarnih delcev. Ker je nekoherentna razpršitev svetlobe iz teh sekundarnih delcev pomembna po celotnem vidnem območju, sta bili obe vrsti sekundarnih delcev beli s prostim očesom. Vendar je prispevek koherentnega enojnega razprševanja postal vidnejši, ko se je nekoherentno večkratno sipanje zmanjšalo zaradi dodajanja CB, kot je prikazano na slikah. 7b in 7c 13, 14, 38, 39 . Posledično so strukturne barve zaradi izrazitega konstruktivnega odseva teh sekundarnih delcev, specifičnega za valovno dolžino, postale bolj nasičene.

Image

(a) Odsevni spektri sijajnih in matiranih sekundarnih delcev, sestavljenih iz 360 nm delcev kremena. (b) Odsevni spekter sijajnih sekundarnih delcev, sestavljenih iz 360 nm delcev silicijevega dioksida z in brez CB. (c) Odsevni spektri matičnih sekundarnih delcev, sestavljenih iz 360 nm delcev silicijevega dioksida z in brez CB.

Slika v polni velikosti

Poleg tega smo iz delcev silicijevega dioksida, ki vsebujejo magnetit kot črni delček, pripravili sekundarne delce, da smo dobili barvne pigmente z različnimi učinki. Magnetit je pogosto uporabljen, nestrupen in okolju prijazen črni delec. Slika 8a prikazuje sekundarni delček, pripravljen z uporabo suspenzije delcev kremena s premerom 360 nm in majhne količine magnetita. Tudi ta sekundarni delec ima svetlo rdečo barvo. Ker je magnetit magnetni, lahko premikamo in zbiramo obarvane sekundarne delce s pomočjo zunanjega magnetnega polja (sl. 8b in film 1). Če med pripravo sekundarnih delcev postavimo večje kapljice vodne raztopine, ki so približno nekaj milimetrov v premeru in vključujejo delce kremena in majhno količino magnetita, pri olju pri 60 ° C, najtežji magnetit (5.2 g / cm 3 ) nabira se na dnu kapljice pred sušenjem. Posledično smo dobili sploščene Janusove sekundarne delce, pri katerih je ena stran rdeča, druga stran pa bela (slika 8c). Z delci kremena s premerom 280 nm lahko spremenimo odtenek obarvane strani sploščenih Janusovih sekundarnih delcev (slika 8c). Ker obarvani del vsebuje magnetit, so Janusovi sekundarni delci obrnjeni v isto smer ob prisotnosti zunanjega magnetnega polja (sl. 8d in film 2). Barva kože rib se lahko na splošno spremeni z aktivno koncentracijo ali dispergiranjem pigmentnih zrnc v notranjem območju pigmentne celice. Analogne spremembe barve v umetnih materialih je mogoče doseči z uporabo strukturno obarvanih pigmentov, ki so odzivni na dražljaje.

Image

(a) Sekundarni delci, sestavljeni iz 360 nm delcev silicijevega dioksida z dodatkom magnetita. (b) Sekundarni delci, sestavljeni iz 360 nm delcev kremena z dodatkom magnetita, so bili zbrani z uporabo zunanjega magnetnega polja. (c) sploščeni Janusovi sekundarni delci, za katere so značilni ena bela in ena rdeča stran, sestavljeni iz 280 nm delcev kremena (levo) in 360 nm delcev kremena (desno). (d) sploščeni Janusovi sekundarni delci, sestavljeni iz 360 nm delcev kremena, se ob prisotnosti zunanjega magnetnega polja obrnejo v isto smer.

Slika v polni velikosti

Diskusija

Opazili smo dva mehanizma, ki sta povezana z konstruktivnim odsevom valovne dolžine v sekundarnih delcih te študije. Prvi mehanizem je Braggov odboj, ki izhaja iz kristalne strukture delcev kremena. Drugi mehanizem je skladno enojno sipanje z amorfnim sklopom delcev kremena. Ker imajo konstruktivni odsevi, značilni za valovno dolžino, različne kotne odvisnosti, se ti delci pojavljajo kot različne barve v različnih svetlobnih pogojih. Na primer, s smerno svetlobo in spreminjanjem kota gledanja lahko opazimo prelivanje sijajnih sekundarnih delcev zaradi obarvanosti, ki jo povzroča predvsem Braggov odboj (slika 3b). Nasprotno pa je pri razpršeni osvetlitvi sprememba strukturne barve sijajnih sekundarnih delcev z različnimi koti gledanja zelo majhna, saj je obarvanje, ki ga povzroča amorfna struktura, v tem osvetljevanju pomembnejše (slika 3a). V primeru matičnih sekundarnih delcev k obarvanosti prispeva le koherenten enoten razpršilni mehanizem. Če ustvarimo drobne sekundarne delce različnih velikosti, se lahko spremeni tudi barvni videz. Kot je navedeno zgoraj, na obarvanost sekundarnih delcev vpliva več dejavnikov, vključno z velikostjo primarnega delca, agregacijskim stanjem, številom kristalnih plasti, načinom osvetlitve, kotom gledanja in, najverjetneje, velikostjo sekundarnega delca. Ključ pri pridobivanju barvnih pigmentov z ustrezno barvo je skrben nadzor teh dejavnikov.

Če se pripravljeni sekundarni delci uporabljajo kot pigmenti v nekaterih topilih, se barve lahko razlikujejo od barv na zraku zaradi različnih indeksov loma. Vemo, da je mogoče doseči koloidne amorfne nize, ki kažejo dobro nasičenost barve, kar je posledica zmanjšanja kontrasta refrakcijskega indeksa31. Na primer, naši sijajni sekundarni delci, ki prikazujejo belkasto barvo v posušenem stanju, kažejo dobro nasičenost barve v topilih (slika 9a) zaradi zmanjšanja kontrasta loma. Poleg tega se pričakuje, da bo valovna dolžina daljša, ker se optična dolžina poveča. Zmanjšanje obsega odbojnosti se bo zmanjšalo tudi zaradi kontrasta manjšega indeksa loma. Zato je za uresničitev želenih optičnih lastnosti potrebno prilagoditi velikost primarnih delcev, število kristalnih plasti in velikost sekundarnih delcev. Medtem so sijajni sekundarni delci s črnimi komponentami v topilih črno obarvani (slika 9b), medtem ko sekundarni delci prikazujejo živo barvo v posušenem stanju. Morda je mogoče premazati sekundarni delec z zaščitno plastjo, ki preprečuje, da bi topilo prodrlo v notranjost sekundarnega delca. V tem primeru je pričakovati podobne optične lastnosti kot tiste, ki jih opazimo v zraku. Takšen pristop je zdaj v preiskavi.

Image

(a) Sekundarni delci, sestavljeni iz 360 nm delcev kremena v različnih topilih. (b) Sekundarni delci, sestavljeni iz 360 nm delcev silicijevega dioksida, s CB v posušenem stanju in v toluenu.

Slika v polni velikosti

Za zaključek smo opazili, da lahko spremenimo agregacijska stanja sekundarnih delcev, sestavljenih iz delcev kremena, ki smo jih pripravili tako, da v vroče olje vstavimo kapljice suspenzije, ki vsebuje delce kremena, čemur sledi sušenje, z NaCl ali brez. Sijajni sekundarni delci dobimo v odsotnosti NaCl, medtem ko mat matični delci dobimo v prisotnosti NaCl. Dodajanje črnega delca, kot je CB ali magnetit, vodni suspenziji delcev kremena povzroči svetlejšo strukturno barvo sekundarnih delcev. Ker so vsi materiali, ki se uporabljajo za pripravo teh strukturno obarvanih sekundarnih delcev, netoksični in okolju prijazni, pričakujemo, da so lahko ti sekundarni delci uporabni kot zeleni pigmenti. Poleg tega lahko z dodajanjem odzivnih delcev, kot je magnetit, pripravimo zelo funkcionalne "pisane kroglice".

Metode

Materiali

Uporabili smo vodno suspenzijo, ki vsebuje 25 mas.% Delcev kremena. Delci kremena, uporabljeni v tej raziskavi, so bili s premerom 280 in 360 nm. CB, uporabljen v tej raziskavi, je imel povprečni premer delcev 100 nm in je imel karboksilne skupine na površini, kar je omogočalo njegovo dispergiranje v vodi. Povprečni premer magnetita je bil 10 nm, uporabljali pa smo ga skupaj z disperzijskim sredstvom. Koncentracija NaCl v suspenziji je bila 0, 1 mol / L. Za pridobitev sekundarnih delcev, sestavljenih iz delcev kremena in CB, smo uporabili silikonsko olje s kinetično viskoznostjo 100 cSt pri 25 ° C. Heksadekanovo olje je bilo uporabljeno za pripravo sekundarnih delcev, ki so bili sestavljeni iz delcev kremena in magnetita.

Priprava sekundarnih delcev

Tipičen eksperimentalni postopek za pripravo sekundarnih delcev je opisan, kot sledi. Drobne kapljice vodne suspenzije delcev silicijevega dioksida dobimo z mikroskopom in iglo z notranjim premerom 1 mm. Te kapljice damo v 800 ml vročega olja s hitrostjo 1 ml / min pri 60 ° C; olje smo z mešalnikom mešali v 2-litrski bučki z okroglim dnom. Po mešanju 12 ur je voda v kapljicah popolnoma izhlapela. Potem ko smo obnovljeni usedlinski izdelek večkrat sprali s heksanom in posušili v termostatski kopeli, smo dobili sekundarne delce, sestavljene iz delcev kremena.

Karakterizacija

Fotografije, ki prikazujejo strukturne barve vzorcev, so bile zbrane z digitalnim fotoaparatom in digitalnim mikroskopom (KEYENCE VHX-500). Kotna odvisnost je bila preučena tudi pri dveh vrstah osvetlitve. Pri prvi vrsti (razpršena osvetlitev) svetleča svetloba ni prišla iz določene smeri; vzorec je bilo osvetljeno z več stropnimi lučmi in s sekundarnim raztresenjem iz okoliških sten. Pri drugi vrsti je bil uporabljen optični osvetljevalec z vlakni (Olympus, LG-PS2) za uresničitev usmerjene osvetlitve. Svetleča svetloba je prišla iz smeri, nagnjene za približno 50 stopinj od običajne smeri površine vzorca, smer nagiba pa je bila skoraj vzdolž zgornje smeri fotografij na sliki 3. Razporeditev delcev kremena v sekundarnih delcih je bila raziskali z uporabo skenirajočega elektronskega mikroskopa (Hitachi, Miniscope TM3000). Za opazovanje preseka sekundarnih delcev smo pripravili vzorce po dveh metodah, kot sledi. V prvi metodi smo sekundarne delce postavili v lonec, v katerem je bil tekoči dušik, in jih nežno zmeljemo. Pri drugi metodi so bili sekundarni delci najprej vgrajeni v polimer, nato pa je bil uporabljen ultramikrotom za pridobitev ultra tankih odsekov. Ti vzorci so bili prevlečeni z 10-nm slojem Au-Pd, slike pa so bile pridobljene z uporabo SEM, ki deluje na 15 kV. 2D Fourierjev spekter moči SEM slik smo dobili s programsko opremo za analizo slik (Image Pro). Za merjenje relativnih odbojnih spektrov sta bila uporabljena tudi optični spektrometer z optičnimi vlakni Ocean Optics USB2000 in spektrometer UV-vis (Nippon Bunko Company, V-670) z merilno enoto absolutne odbojnosti (ARMN-735).

Dodatne informacije

Videoposnetki

  1. 1.

    Dodatne informacije

    Dopolnilni film 1

  2. 2

    Dodatne informacije

    Dopolnilni film 2

Pripombe

Z oddajo komentarja se strinjate, da se boste držali naših pogojev in smernic skupnosti. Če se vam zdi nekaj zlorabe ali ne ustreza našim pogojem ali smernicam, označite to kot neprimerno.