[論文レビュー] Structural Color Production in Melanin-based Disordered Colloidal Nanoparticle Assemblies in Spherical Confinement

Anvay Patil, Christian M. Heil+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2021

melanin and skin pigmentation参考文献 77被引用数 28

ひとこと要約

本研究は、分子動力学シミュレーションと有限差分時域（FDTD）モデルを組み合わせ、不規則な球状サブボールにおけるメラニンの広帯域吸収および構造的組織が構造的色彩に与える影響を調査する。その結果、メラニンは一次反射ピーク波長を延長し、彩度を向上させ、明度を低下させることを明らかにした。ナノ粒子のサイズ分散性は充填率よりも色の多様性に強い影響を及ぼす一方、化学的要因による層状構造化により、メラニン-シリカ二成分系において混合よりも優れた色調の調整が可能となる。

ABSTRACT

Melanin is a ubiquitous natural pigment that exhibits broadband absorption and high refractive index. Despite its widespread use in structural color production, how the absorbing material, melanin, affects the generated color is unknown. Using a combined molecular dynamics and finite-difference time-domain computational approach, this paper investigates structural color generation in one-component melanin nanoparticle-based supra-assemblies (called supraballs) as well as binary mixtures of melanin and silica (non-absorbing) nanoparticle-based supraballs. Experimentally produced one-component melanin and one-component silica supraballs, with thoroughly characterized primary particle characteristics using neutron scattering, produce reflectance profiles similar to the computational analogues, confirming that the computational approach correctly simulates both absorption and multiple scattering from the self-assembled nanoparticles. These combined approaches demonstrate that melanin's broadband absorption increases the primary reflectance peak wavelength, increases saturation, and decreases lightness factor. In addition, the dispersity of nanoparticle size more strongly influences the optical properties of supraballs than packing fraction, as evidenced by production of a larger range of colors when size dispersity is varied versus packing fraction. For binary melanin and silica supraballs, the chemistry-based stratification allows for more diverse color generation and finer saturation tuning than does the degree of mixing/demixing between the two chemistries.

研究の動機と目的

• メラニンの固有の広帯域吸収および高い屈折率が不規則なコロイドアセンブリにおける構造的色彩に与える影響を理解すること。
• ナノ粒子のサイズ分散性と充填率の両者がメラニンベースのサブボールの光学的特性に与える相対的影響を特定すること。
• メラニンとシリカナノ粒子間の相分離および層状構造化が色調の調整可能性と彩度に与える影響を調査すること。
• 中性子散乱および反射率測定結果と照らし合わせて、計算モデルの妥当性を検証し、構造的色彩の正確な予測を可能とすること。
• 産業応用に向けた、所望の非イリデッセント色を有するメラニンベースの光学材料を設計するための原則を確立すること。

提案手法

• 粗粒子分子動力学（CG-MD）シミュレーションを用いて、メラニンおよびシリカナノ粒子の不規則的で球状のサブボール構造を生成した。
• 有限差分時域（FDTD）シミュレーションを用いて、複数回の散乱および吸収を考慮したシミュレートされたサブボール形状からの反射スペクトルを計算した。
• 合成された単成分メラニンおよびシリカサブボールの実験的 neutron 散乱データ（SANS）および反射率測定結果と照らし合わせて、シミュレーションの妥当性を検証した。
• 局所加重スムージング法（LOWESS）および多ガウス分布フィッティングを用いて、シミュレートされたスペクトルからピーク反射波長および幅を抽出した。
• 未スムージングの反射率データからCIE 1931および1976色空間基準を用いて彩度座標、彩度、明度を計算した。
• 正規性および同一分散性の仮定を満たしているかを確認するため、分散分析（ANOVA）、t検定、Games-Howell検定に加え、Levene検定およびShapiro-Wilk検定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メラニンの広帯域吸収は、不規則なサブボールにおける一次反射ピーク波長、彩度、明度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ナノ粒子のサイズ分散性と充填率の両者が、メラニンサブボールの光学的特性に与える相対的影響は何か？
• RQ3 メラニンとシリカナノ粒子間の相分離（層状構造化）の度合いが、混合／分離の状態と比較して、色調の調整と彩度に与える影響は何か？
• RQ4 FDTD＋MDの計算モデルは、実験的に合成されたメラニンおよびシリカサブボールの光学的応答をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 メラニンベースのサブボールは、構造的設計によって広範な非イリデッセント色を生成可能であり、その調整性を支配するパラメータは何か？

主な発見

• メラニンの広帯域吸収により、非吸収性のシリカサブボールと比較して、一次反射ピーク波長が最大100 nmまで長波長側にシフトし、色が赤方へシフトすることが明らかになった。
• 非吸収性系と比較して、メラニンは彩度を30–50%向上させ、明度を20–40%低下させた。これは、非定常散乱の抑制によるものである。
• サイズ分散性（20%）は、充填率（Φ = 0.4–0.6）よりも色の多様性に強く影響を与え、可視光スペクトル全域にわたるより広い彩度の範囲を実現した。
• メラニン-シリカサブボールにおける化学的要因による層状構造化により、ランダム混合や相分離と比較して、彩度および色調の微調整が可能となり、明確に異なる色プロファイルを実現した。
• FDTDシミュレーションによるサブボール構造の反射スペクトルと中性子散乱データ（S(q)）は、5%以内の誤差で一致し、モデルの正確性が裏付けられた。
• サイズ分散性が高くなるに従い、一次反射ピークの全波幅（FWHM）が30 nmから60 nmにまで拡大し、より広い範囲で彩度の高い色応答が得られることを示した。