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科學家發明液態光子材料，色域寬廣超越七色彩虹

2017-06-28 11:27:47 作者：本網整理來源：熱噴涂與再制造分享至：

    科學家們發明了一種水基混合物，當它所處環境——比如磁場、溫度或者pH值發生變化時，這種混合物就會快速變色。科學家們將這種混合物命名為“光子水”。

    光子水多彩性無人能及，除了能呈現可見光范圍中的任何顏色外，還能反射部分紫外和紅外區間的光。相較于其它所有固體或液體材料，光子水是有報道以來顏色變化范圍最廣的。

    來自日本的多家研究機構的研究者KokiSano等人在《NatureCommunication》上發表了相關論文。

    科學研究中往往會發生無心插柳的故事，研究者們是在試圖分離不同粒徑的顆粒時無意中發現了這種獨特的材料。雖然分離實驗并不成功，但產生的現象卻令人驚奇——當將分離產物放入水中時，水呈現出了鮮艷的紫色。

    通過進一步研究，科學家們發現這種多彩混合物同時表現出了流動性和有序性。而這兩種概念乍一看是矛盾的，因為流動往往意味著無序。

    但這種新物質異乎尋常的具有高度有序性，就如同晶體結構一般。此外，組成該物質的重復單元結構間的間距非常大，最大可達675nm——這個間距對應的反射波長為1750nm（屬于紅外區間）。

    經過適當調節，這種液體不僅可以反射整個可見波長范圍內的光——大約從400nm一直到700nm，甚至還可以反射位于紫外區間的370nm短波光。這一從370nm到1750nm是迄今為止有報道的，光子或“光調節”材料中最大的“顯色”范圍。

    為何這種液體能夠反射如此多的顏色？光子水，正如它的名字那樣，其實很大程度上相當于水：其中占體積99.5%的成分是水，剩下的0.5%為“活性成分”——由鈦酸鹽納米片（TiNS）和季銨鹽（Q+離子）組成。

    當把活性成分加入水中以后，它不會像鹽或糖那樣溶解，而是維持其原有結構，如同沙子進入水中一樣。這種非溶解性顆粒被稱為膠體顆粒，膠體顆粒進入水中以后形成的物質叫做膠狀分散體（通常簡稱為膠體），但這種膠體并不同于現今人們知道的其他膠體。

    這些膠體顆粒具有很強的極性，使得其單元結構有序排列形成了長間距結構，賦予了這種新型膠體特殊的性質。鈦酸鹽納米片具有很強的負電性，0.75nm厚的納米片就可以產生強烈的互斥作用。通常，這種互斥作用會被包圍在四周的季銨鹽正電離子（Q+離子）減弱，Q+離子的存在很大程度上抵消了鈦酸鹽納米片間的負電互斥作用。

    不同鈦酸鹽納米片濃度下，光子水呈現出不同的色彩

    然而科學家發現，當用離心法去除部分Q+離子以后（離心法通常用于分離不同粒徑的膠體顆粒），膠體變成了紫色。當缺少Q+離子削弱互斥作用時，膠體中的鈦酸鹽納米片會最大程度的分散，進而導致液體中的物質發生重排，長的單元間距使得液體反射較長波長的光。

    反之，普通的水沒有這種有序的長單元間距，使得它反射的光的波長比可見光波長短很多，因此普通水是透明的。

    研究者表示，光子水的顏色可以跟隨膠體所處磁場環境的變化進行快速改變，而且這種變化是可逆的。磁場可以使鈦酸鹽納米片垂直于磁場方向排列。

    類似的，對光子水進行加熱或者制冷，會引起納米片間的間距變化，從而導致膠體顏色改變。即使是pH值的微小變化也能引起膠體顏色改變，比如可以從紅色（pH7.9）變為綠色（pH7.7）再變到藍色（pH7.3），這是由于pH值變化會引起靜電排斥力的改變，導致光子水的結構和顏色改變。

    總的來說，光子材料在近紅外區域對光的反射性能，可以在遠程通訊中起到重要作用。雖然現階段操作起來還有難度，但光子水在這一領域和其他領域都具有應用潛力。

    Ishida表示，利用光子水對不同物理化學因素的響應特性和其寬泛的色彩調節范圍，和智能光學設備一樣，人們可以將它應用到很多領域，包括光學傳感、顯示、遠程通訊中的近紅外過濾、光子激光等等。

    研究者們還希望，這些研究結果能適用于液體以外的其他物質。比如，最近他們將該實驗方法用于軟性材料，通過加強鈦酸鹽納米片間的靜電相互作用，使軟性材料具備了特殊的功能。

    科學家們希望這項驚人的發現不止給鈦酸鹽納米片帶來新生，還能夠讓傳統的膠體科學煥發新的生命。