磁性金属鳞片磁控光学响应效应

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为了适应环境和生存的需要,经过上百万年的自然进化,自然界中很多动物的身体部分呈现出绚丽的颜色,用于吸引异性、伪装和物种识别。其成色机理主要有两种方式:色素颜料颗粒成色和三维周期性亚微米级分级结构形成的结构色,前者被称为化学色,后者被称为物理色。有研究表明,蝴蝶翅膀艳丽的颜色就是一种结构色,其主要由薄膜干涉效应、多层干涉效应、光栅衍射效应、光子晶体效应和光散射效应等基本光学效应共同作用产生的。这种微观结构赋予了蝴蝶鳞片典型的结构色特征,即鳞片在不同方向上可呈现出不同的颜色。由于三维亚微米分级结构为目前微纳加工的难点,因此近年来由蝴蝶鳞片表面复杂微观结构而形成的结构色引起了众多科学家的关注和研究兴趣,已报道工作包括鳞片折射指数测定、机理研究、光学模拟及如何用模板法人工制备三维光子晶体结构。同样,蝴蝶鳞片上的微观结构在光学,电子学,磁学,热力学和催化方面的应用也得到了广泛的研究,但研究人员却很少关注过将鳞片结构色应用到光控制领域。在此,本文提出一种新的理念,将鳞片上的结构色和磁性相结合,通过外加磁场人工控制蝶翅鳞片所处的角度和方向,甚至其运动状态,使鳞片结构色特征应用于光控制领域。首先选用具有艳丽结构色的异型紫斑蝶和大紫蛱蝶的蝶翅背部鳞片作为模板,通过化学方法预处理蝴蝶翅膀,去除蝶翅表面存在的杂质颗粒和蛋白质颗粒,初步增加蝶翅表面的亲水性基团,改善蝶翅亲水性;其次在蝶翅表面接种特定基团乙二胺(进一步增加蝶翅亲水性),螯合金离子Au3+,并利用硼氢化钠将螯合的金离子还原,得到金原子活化的蝶翅鳞片;最后将金原子活化的蝶翅浸入金属Co无电沉积液,通过化学原位合成技术在蝶翅鳞片表面镀覆一层厚度均匀的磁性金属Co。金属Co原位沉积后,金属单鳞片完美地复制了原始蝶翅鳞片表面亚微米级三维周期性分级结构,尽管镀钴鳞片的颜色与原始鳞片颜色略有不同,但磁性金属鳞片保留了结构色特征,即磁性金属鳞片同时兼具磁性和结构色两种特征。磁性金属鳞片的磁化矫顽力较弱,易于磁化和去磁。当对磁性金属鳞片施加外磁场时,鳞片可以做出响应,调整自己的状态,以保持自己的角度和方向与外磁场方向一致,从而呈现出不同颜色的反射光;当消除外磁场时,磁性金属鳞片又会立即去磁而恢复到原先的状态,即磁性金属鳞片具有磁控即时响应特性,而且整个磁控响应过程是可以多次重复的。基于磁性金属鳞片的结构色特征、即时响应特性和可重复性特征,其在设计新的微型光学器件“磁光开关”上具有很大的潜在利用价值。此外,外加磁场动态连续变化可使磁性金属鳞片做出即时响应并连续调整自身的状态,如果可以通过外加磁场人工控制大量鳞片在大面积上同时保持状态一致的运动,即可实现基于结构色特征的连续磁控变色。不论是磁光开关,还是磁控变色,在光电转换、信息存储、涂料、伪装和光吸收领域都有很大的潜在应用价值。尽管这些概念性器件还处于初步设想的阶段,但这些新颖的理念为自然界中广泛存在的结构色的应用打开了一扇窗。
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