Only Perception: 磁色微球體：新聚合物能回應外部磁場立即變色

2009-06-19

磁色微球體：新聚合物能回應外部磁場立即變色

New polymer that changes color instantly in response to external magnetic field (w/Video)
http://www.physorg.com/news164375513.html

June 16th, 2009

一個由加州大學 Riverside 分校（UCR）的化學家所領導的研究團隊，製造出微小的聚合物珠子，當作用在這些微球體（microspheres）的外部磁場改變方向時，那會立即變色。

這些小珠，或「磁色微球體（magnetochromatic microspheres）」具有優異的結構穩定性。它們也與各類型分散介質（dispersion media，擴散介質）例如水、酒精、己烷甚至是聚合物溶液高度相容，讓它們能在各種化學環境中保持在磁性下可調的顏色。

"不像許多傳統的方法，這種瞬間變色在不改變微球體本身結構或固有特性的情況下發生，" Yadong Yin（音譯：尹亞東）說，一位化學助教授，領導這項使 UCR 化學家以及南韓首爾國立大學的工程師們聚首的研究。"所改變的是作用在這些微球體，即光子晶體（photonic crystals）方向上的外部磁場。我們的研究在誘使材料變色上提供了新的機制。現在，可調顏色的、穩定的光子材料，首度能大規模製造。"

這種新材料的應用包括顯示類組件，諸如可覆寫或可再利用的招牌、海報、紙張、標籤以及其他在磁性上活化的安全功能。這種新材料也能用來製造用於油漆及化妝品等對環境友善地顏料，以及用於彩色列印的墨水材料。

"在一定範圍內，僅旋轉微球體就能改變材料的顏色也是有可能的，" Yin 說。

研究結果出現在 6/15 當期的 Journal of the American Chemical Society 線上版。

"這項新技術在廣大的光學應用中有很大的潛力，因為藉由旋轉光學球體，使繞射顏色（diffraction color）的開啟／關閉切換可以很快，大幅簡化了像素的結構，" 首爾國立大學的 Sunghoon Kwon 表示，一位生物光學（biophotonics）與奈米工程的領導性專家，其實驗室與 Yin 的實驗室就這項研究進行合作。"因此，這項新技術適合規模非常大的顯示器，例如主動式招牌。"

在他們的實驗室實驗中，研究者們將空間有序（spatially ordered）磁性氧化鐵奈米結構的陣列嵌入至每個聚合物微球體中，只要改變微球體的方向 -- 或著更精確地說，陣列的方向 -- 就能使其種種顏色開啟及關閉。此外，這種新系統具有產生雙穩定（bistable）色態（color states）的優勢，其為製造可覆寫顯示器所需。

Yin 解釋，在這種新材料中所觀察到的顏色是「結構性色彩（structural color）」，因為它是由干涉效應而非色素所產生的。當這些物體中的微結構以週期性陣列的模式排列，這樣的顏色效應就會產生，一如在許多鳥類羽毛中所見到的鮮豔色彩。

"產生可調式結構性色彩的傳統方法依賴改變陣列的週期或是材料的折射率 -- 改變折射率不是很難辦到，就是牽涉到緩慢的過程，" 他說。"在我們的方法中，能方便地利用外部磁場，改變微球體當中，週期性陣列的相對方向來調整顏色。把磁場當成外部刺激來用，具有立即作用、非接觸控制且能輕易整合至已上市電子裝置的額外利益。"

Luke P. Lee 表示，UCB Lloyd 生物工程特聘教授，他沒有涉及此研究，"這是一種解決先前研究問題的、聰明且有效的方案，那無法調整光學結晶體的結構。"

為了要製造微球體，研究者首先將磁性氧化鐵粒子混入一種樹脂中，那最初是液相，不過暴露於紫外光固化樹脂之後便成了固體，他們接著在油（礦物油或矽油）當中分散（dispersed）樹脂，據此，樹脂在油中轉變成球形的小滴。接下來，研究者施加一外部磁場，將氧化鐵粒子組織成週期性的有序結構。若沿著磁場方向觀之，這些結構展現出反射性顏色。最後，研究團隊將這種液體系統暴露在紫外線輻射下使樹脂滴聚合，並使它們成為固態微球體。

在接下來的研究中，Yin 等人計畫研究磁色微球體的特殊應用。"可覆寫的節能顯示器組件，例如紙張與海報都是我們主要興趣，" 他說。"我們也將能試著為化學與生物學感應器，開發出類似的新材料。"

※ 很妙的方法。相關報導：

＊ Magnetochromatic Microspheres: Rotating Photonic Crystals
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja903626h

Jianping Ge, Howon Lee, Le He, Junhoi Kim, Zhenda Lu,
Hyoki Kim, James Goebl, Sunghoon Kwon and Yadong Yin
J. Am. Chem. Soc., Article ASAP, June 15, 2009
doi: 10.1021/ja903626h

Magnetochromatic microspheres have been fabricated through instant assembly of superparamagnetic (SPM) colloidal particles inside emulsion droplets of UV curable resin followed by an immediate UV curing process to polymerize the droplets and fix the ordered structures. When dispersed in the liquid droplets, superparamagnetic Fe3O4@SiO2 core/shell particles self-organize under the balanced interaction of repulsive and attractive forces to form one-dimensional chains, each of which contains periodically arranged particles diffracting visible light and displaying field-tunable colors. UV initiated polymerization of the oligomers of the resin fixes the periodic structures inside the droplet microspheres and retains the diffraction property. Because the superparamagnetic chains tend to align themselves along the field direction, it is very convenient to control the orientation of such photonic microspheres and, accordingly, their diffractive colors, by changing the orientation of the crystal lattice relative to the incident light using magnetic fields. The excellent stability together with the capability of fast on/off switching of the diffraction by magnetic fields makes the system suitable for applications such as color display, rewritable signage, and sensors. As a simple demonstration, we have fabricated a display unit that has on/off bistable states by embedding the magnetochromatic microspheres in a matrix that can thermally switch between solid and liquid phases.