[论文解读] 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 28

一句话总结

本研究结合分子动力学模拟与有限元差分时域（FDTD）建模，探究黑色素在无序球形超结构中的宽带吸收特性及其结构组织对结构色的影响。研究发现，黑色素可使主反射峰波长红移，增强饱和度并降低明度；其中，纳米颗粒尺寸多分散性对色彩多样性的影响力强于堆积分数，而化学驱动的分层结构在黑色素-二氧化硅二元体系中可实现优于混合的更优色彩调控。

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.

研究动机与目标

• 理解黑色素固有的宽带吸收特性及其高折射率如何影响无序胶体组装中的结构色。
• 确定纳米颗粒尺寸多分散性与堆积分数对黑色素基超球光学性能的相对影响。
• 研究黑色素与二氧化硅纳米颗粒之间相分离与分层结构对色彩可调性与饱和度的影响。
• 通过中子散射与反射率测量数据验证计算模型，以准确预测结构色。
• 建立工程化黑色素基光学材料的设计原则，实现面向工业应用的定制化、非虹彩化色彩。

提出的方法

• 采用粗粒度分子动力学（CG-MD）模拟生成黑色素与二氧化硅纳米颗粒的无序球形超球结构。
• 利用有限差分时域（FDTD）模拟计算从模拟超球形态获得的反射光谱，考虑多重散射与吸收效应。
• 将模拟结果与实验中子散射数据（SANS）及合成的一组分黑色素与二氧化硅超球的反射率测量结果进行验证。
• 应用局部加权散点平滑（LOWESS）与多高斯拟合方法，从模拟光谱中提取主反射峰波长与半高全宽（FWHM）。
• 基于未平滑的反射率数据，使用CIE 1931与1976色彩标准计算色度坐标、饱和度与明度。
• 采用方差分析（ANOVA）、t检验与Games-Howell检验进行统计分析，并通过Levene检验与Shapiro-Wilk检验确保正态性与方差齐性假设成立。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑色素的宽带吸收如何影响无序超球中主反射峰波长、饱和度与明度？
• RQ2 纳米颗粒尺寸多分散性与堆积分数对黑色素超球光学性能的相对影响如何？
• RQ3 黑色素与二氧化硅纳米颗粒之间相分离程度（分层结构）与混合/相分离在调控色彩与饱和度方面的效果有何差异？
• RQ4 计算模型（FDTD + MD）在多大程度上能准确预测实验合成的黑色素与二氧化硅超球的光学响应？
• RQ5 黑色素基超球能否通过结构设计产生广泛范围的非虹彩化色彩？哪些参数决定了这种可调性？

主要发现

• 与非吸收性二氧化硅超球相比，黑色素的宽带吸收可使主反射峰波长红移高达100 nm，使颜色向长波方向移动。
• 由于非相干散射被抑制，黑色素使饱和度提高30–50%，明度降低20–40%。
• 尺寸多分散性（20%）对色彩多样性的影响力强于堆积分数（Φ = 0.4–0.6），使可见光谱范围内呈现更广范围的色相。
• 在黑色素-二氧化硅超球中，基于化学性质的分层结构可实现比随机混合或相分离更精细的饱和度与色彩调控，从而生成独特的色彩特征。
• FDTD模拟的超球结构与实验反射率及中子散射数据（S(q)）的误差在5%以内，证实了模型的准确性。
• 主反射峰半高全宽（FWHM）随尺寸多分散性增加而增大（从30 nm增至60 nm），表明颜色响应更宽、更饱和。