[論文レビュー] Biomimetic isotropic nanostructures for structural coloration

Jason D. Forster, Heeso Noh+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2009

Photonic Crystals and Applications参考文献 21被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、二分散コロイドポリマー粒子からなるバイオミメティック的等方性ナノ構造が、波長に依存しない散乱抑制によって、入射角に依存しない構造的色彩を生じることを提案している。スピンコーティングを用いて226 nmおよび271 nmのスチレン系ポリマー球の混合系を自己集合化させることで、全視角で強い一貫性のある構造的色彩を示す膜が得られ、透過スペクトロスコピーおよびSAXSによって確認された。これはコーティング、化粧品、テキスタイル分野への応用に有望な道筋を示している。

ABSTRACT

We describe the self-assembly of biomimetic isotropic films which display structural color amenable to potential applications in coatings. Isotropic structures can produce color if there is a pronounced characteristic length-scale comparable to the wavelength of visible light and wavelength-independent scattering is suppressed.

研究の動機と目的

• 従来の周期的フォトニクス構造とは異なり、入射角にほとんど依存しない構造的色彩を示す、自然界を模倣した材料の開発。
• 周期的フォトニクス構造のイリデセンスを克服するため、短距離秩序を持つ等方的で無秩序なナノ構造を用いる。
• 二分散コロイド球で構成される等方的膜が、実用的応用に適した鮮やかで安定した構造的色彩を生じることを実証する。
• 小角X線散乱（SAXS）および透過スペクトロスコピーを用いて、これらの膜の構造的および光学的特性を定量的に評価する。
• 実験で得られた粒子サイズ比および組成比に一致する二分散球のジャムドパッキングのシミュレーションを通じて、設計の妥当性を検証する。

提案手法

• ガラスカバースリップ上にスピンコーティングを用いて、226 nmおよび271 nmの二分散ポリスチレン（PS）コロイドナノ粒子を自己集合化させ、厚さが制御された薄膜を形成する。
• 長距離秩序の有無を確認し、膜厚（約2.3 ± 0.2 µm）を測定するために走査型電子顕微鏡（SEM）を用いる。
• NSLSでの小角X線散乱（SAXS）を用いて等方的短距離秩序を特徴づけ、方位角平均を用いて径方向散乱強度を抽出する。
• 周期的境界条件および共役勾配エネルギー最小化法を用いて、摩擦なしの二分散球のジャムドパッキングをシミュレートし、実空間構造をモデル化し、散乱パターンを予測する。
• Hitachi U-2001分光光度計を用いて、法線および斜め入射角における等方的膜と結晶膜のスペクトル応答を比較する。
• 反射率データをq空間に変換するための有効屈折率（nₑ = 1.24）を用い、SAXSデータと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二分散コロイド球で構成される等方的ナノ構造は、入射角にほとんど依存しない構造的色彩を生じるか？
• RQ2 入射角が変化する条件下で、等方的膜の光学的応答は結晶膜と比べてどのように異なるか？
• RQ3 膜の構造的特徴（例：短距離秩序、粒子サイズ分布）とその光学的特性との間には、どの程度の相関があるか？
• RQ4 二分散球のジャムドパッキングのシミュレーションは、実験的膜のSAXSパターンおよび散乱強度を定量的に再現できるか？
• RQ5 粒子サイズ比および多分散性は、長距離秩序を欠く状態で等方的構造的色彩を実現するために果たす役割は何か？

主な発見

• 226 nmおよび271 nmのポリスチレン球からなる等方的膜は、法線入射時において500 nm近辺に透過率の谷を示し、入射角が0°から80°に変化してもピーク位置にずれが生じない。
• 一方、226 nmの球のみからなる結晶膜は強い角度依存性を示し、高角で谷がずれ、最終的には消失する。
• SAXS測定により、リング状の散乱パターンが確認され、最初のピークがq₀ = 0.03 nm⁻¹に位置しており、可視光の波長と同等の特徴的長尺度を持つ等方的短距離秩序を示している。
• 二分散球のジャムドパッキングからのシミュレート散乱強度は、実験的SAXSデータと一致しており、構造モデルの妥当性が裏付けられた。
• シミュレート系の平均パッキング分率はφⱼ = 0.63であり、ランダム密 Packing と整合的であり、構造因子S(q)はq₀ = 0.03 nm⁻¹に単一の主要ピークを示す。
• 膜の光学的消光長はカーボンブラックの添加により調整可能であり、消光は[CB]⁻¹に比例するため、膜の不透明度および色彩の鮮やかさを制御可能である。