逆反射现象常见于各类交通警示标志中，目前，绝大多数商业化的逆反射警示标志是基于全内反射（TIR）机制的玻璃珠产生的，其逆反射颜色是通过整合含有染料和颜料的彩色基底所产生的，然而，这两种基底都会存在光漂白和环境污染等问题。逆反射结构色，由于其优异的抗光漂白能力和良好的稳定性，将为解决上述问题提供理想的解决方案。

  来自广东工业大学的杨东朋博士和黄少铭教授等人发现了一种力致变色光子晶体，其制备方法是令二氧化硅颗粒在丙烯酸酯单体中自组装，再通过光固化得到光子晶体薄膜，通过简单的拉伸便可以使其自身的反射结构色转变为逆反射结构色。相关工作以“Lattice Transformation-Induced Retroreflective Structural Colors”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

图1：MPC的(a)组分含量、(b) SEM图像和(c)角分辨反射光谱。(d)不同应变下的示意图、数码照片和反射光谱。(e)不同状态下MPC的反射结构色示意图和数码照片。（f-h）PC在(f) state 1（ε = 0%）、(g) state 2（ε = 50%）和（h）state 3（ε = 50%并旋转90°）下的逆射光谱。

  如图所示，通过在含有二（乙二醇）乙醚丙烯酸酯（DEGEEA）、聚乙二醇单苯酯（PEGPEA）和光引发剂的单体中进行光聚合过程以固定二氧化硅颗粒的非紧密排列结构。二氧化硅颗粒、DEGEEA和PEGPEA的体积分数分别为25%、37.5%和37.5%（图1a）。如图1b所示，在扫描电子显微镜（SEM）下，PC的表面和截面都呈现出长程有序结构。与传统的PC一样，由于长程有序，PC显示出与角度相关的反射波长（图1c）。当入射角和视角(θ)同时在0到60°之间变化时，其波长从614nm蓝移到501 nm。得益于DEGEEA和PEGPEA优异的机械性能，PC可以通过拉伸来显示反射和逆反射的结构色。原始的PC显示出明亮的红色（图1d）。随着应变(ε)从0增加到50%，其波长从614nm减少到448 nm，相应的颜色随红色变为蓝绿色。反射结构色的蓝移可以归因于晶格距离的减小，而PC的中心区域和边缘区域之间的颜色差异可以归因于它们在拉伸过程中的不均匀变形。与此同时，最有趣的发现是，在拉伸过程中观察到了逆反射结构色，如图1e所示。PC有三种状态，包括原始的PC（state 1，ε = 0%）和沿着拉伸方向（state 2，ε > 0%）和垂直于拉伸方向（state 3，ε > 0）观察到的PC。相应地，在state 1?3之间存在两个反射-逆反射结构色的转换（switch-1和switch-2）。原始PC（state 1）在θ = 0?20°时显示为明亮的反射红色，而在θ = 30?60°时显示为蓝色，这可能是由于二氧化硅粒子的瑞利散射造成的。对于拉伸后的PC（state 2）逆反射光谱只能在θ = 30?60°的条件下测出，在θ = 0?20°的条件下无法观察到逆反射结构色，此时令PC的ε = 50%，拉伸的PC显示出角度依赖的逆反射结构色。在θ = 50°和60°处，波长分别为594 nm和644nm，显示出明亮的明亮橙色和红色（图1g）。将state 2的拉伸PC沿薄膜平面旋转90°即为state 3，在θ = 30?60°处显示出相似的蓝色，且有着相似的宽峰，而无法显示逆反射的结构色（图1h）。

图2：(a)switch-1和switch-2的示意图。（b-c）ε为0%(b)和50%(c)的PC表面扫描电镜图像。

  PC逆反射结构色的两个转换过程（switch-1和switch-2）可以归因于由拉伸引起的表面二维晶格变换。如图2a-b所示，原始PC的表面具有一个非紧密排列的六边形晶格，在经过拉伸后，其晶格转变为平行四边形晶格并逐渐能够在逆反射方向上反射光。根据计算可知，原始PC的逆反射波长（θ = 30?60°）在217?375nm的范围内，因此，在逆反射方向上观察不到可见的颜色。在被拉伸（ε = 50%）后，六角形晶格转化为平行四边形晶格，导致其沿着拉伸方向晶格间距大幅增加而垂直于拉伸方向的晶格间距减小。此时经过计算可知，state 2的逆反射波长位于可见光区内，而state 3的逆反射波长仍小于可见光范围。因此，可以在拉伸方向上观察到逆反射的结构色，但不能在垂直于拉伸方向显示。以上结果均表明，由六边形?平行四边形晶格变换引起的沿拉伸方向的长度增加是逆反射结构色的关键。

图3：（a?b）PC用于膝关节动态传感的示意图及数码照片。（c?d）肘关节摆动运动时的动态传感示意图及数码照片。(e)反光色在视觉感知桥梁和船舶变形方面的潜在应用示意图。(f)PC夹在在黑色和透明的PDMS之间制造防伪标签的示意图。(g)不同ε和θ下的防伪标签的示意图（左）和数码照片（右）。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c07980

作者简介：

杨东朋，博士。研究方向：胶体光子晶体可控组装及应用。以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Mater. Horiz. (Review), Chem. Eng. J., J. Colloid Interface Sci., Adv. Optical Mater., ACS Appl. Mater. Interface, J. Mater. Chem. C., Chem. Commun., Nanoscale, Langmuir, J Phys. Chem. C等国际学术期刊发表SCI论文近40篇，获得授权国家发明专利1项。成果多次被Nature, ACS, APS作为研究亮点，并被JMCC, PCCP, AMI, ACS Omega等期刊选为封面。

黄少铭 教授，博导，国家杰出青年基金获得者。1991年获南开大学博士学位。1991-1993 南京大学博士后，出站后留任南京大学副教授。1996-2005先后在英国Sussex大学、澳大利亚联邦科学与工业研究院(CSIRO) 和美国Duke大学从事研究。2005年3月回国任南京大学教授、博导。2005.9-2018.12任职温州大学，2019.02月起任职广东工业大学。担任广州市低维材料与储能器件重点实验室主任，校学术与学位委员会委员及分委员会主任。长期致力于低维材料及器件应用研究。在纳米结构碳材料及储能器件应用基础研究方面取得了一系列具有国际影响的成果。1999年以来已在国际学术刊物上发表400余篇论文, 包括Nat. Mater., Nat. Commun., JACS., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Phys. Rev. Lett.等，被引用近2万次, H指数70，入选科睿唯安全球高被引科学家。申请专利90多项。先后完成和承担包括科技部973和863项目、国家杰出青年基金、国家自然科学基金委国际合作研究重点项目、面上项目及省部级重点项目等十多项，获省部级奖3项。