皮秒脉冲序列一步法制备结构化金属及其氧化纳米颗粒：新型结构生色表面的角度依赖性调控

为解决传统结构生色材料角度敏感性高、加工工艺复杂的问题，西安交通大学团队通过皮秒脉冲序列热调控技术，一步实现钛表面微结构（LIPSSs）与TiO2纳米颗粒的协同构建，获得宽角度一致性色彩表面与角度响应型色彩表面，为信息加密材料开发提供新思路。

　　

色彩管理技术在现代社会中扮演着至关重要的角色，从日常消费品到高端防伪标识都离不开它的身影。传统色彩技术主要分为两类：化学色素色和物理结构色。化学色素色依赖特定分子对光的选择性吸收，容易受到紫外线降解的影响；而结构色则通过材料表面的微纳结构调控光传播路径产生，具有环保耐久的特点。然而，现有结构色技术面临两大挑战：金属材料自身色彩饱和度不足，以及多数结构色存在显著的角度依赖性——观察角度变化会导致颜色明显改变。

针对这些难题，西安交通大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向钛金属表面氧化与微结构协同调控。钛作为一种生物相容性优异的金属，其表面氧化生成的二氧化钛(TiO₂)具有高折射率特性，是理想的结构色材料。但传统激光加工技术难以精确控制氧化程度，且产生的热效应容易导致材料开裂。为此，研究人员创新性地采用脉冲间隔50纳秒的皮秒激光序列，通过精确热管理一步实现表面结构化与氧化纳米颗粒沉积。

该研究主要运用三项关键技术：时域有限差分法(FDTD)光学模拟预测色彩表现、可调重复频率(1kHz-2MHz)皮秒激光(波长1064nm/532nm)表面加工，以及激光共聚焦显微镜结合光谱仪进行色彩表征。研究团队首先通过模拟发现，无论是纯TiO₂纳米颗粒层还是TiO₂与钛表面激光诱导周期性结构(LIPSSs)的复合体系，都能产生类似纯TiO₂薄膜的色彩变化规律。

在"材料与结构整合中的色彩演变调控"部分，研究揭示了关键发现：当TiO₂纳米颗粒覆盖具有激光诱导微结构的钛表面时，可在宽角度范围内保持色彩一致性；而使用超过激光加工阈值的脉冲能量时，TiO₂纳米颗粒能稳定沉积在Ti LIPSSs表面。室内光照下，这种复合表面展现出与纯Ti LIPSSs截然不同的宽角度色彩稳定性；但在平行光照射时，其颜色仅响应入射角变化，呈现出独特的双模式光学响应特性。

结论部分指出，这项研究通过皮秒脉冲序列热控制技术，成功实现了钛/二氧化钛复合材料的结构化及两种结构色的可控制备。混合结构表面在固定入射角下，观察角度变化导致的色差(ΔE)小于5，满足工业应用要求；而改变入射角时，色差可达20以上，这种显著的角度响应差异使其特别适用于信息加密领域。

该研究的创新价值主要体现在三个方面：首先，开发了一步法同步制备金属微结构与其氧化纳米颗粒的新工艺，大幅简化了传统多层结构的加工流程；其次，首次在同一表面实现了角度敏感与角度不敏感的结构色协同调控，拓展了结构色的应用场景；最后，为激光加工参数与色彩表现之间的量化关系提供了重要实验数据，对功能性光学表面的工业化生产具有指导意义。论文成果发表在《Journal of Colloid and Interface Science》，为新型防伪材料、智能显示器件等领域的发展提供了新思路。