通过三维空间中随机分布的有机米氏共振器进行喷涂涂层处理，实现了高度耐用且均匀的结构着色效果

《Laser & Photonics Reviews》：Highly Durable and Uniform Structural Coloration via Spray-Coated Organic Mie Resonators Randomly Distributed in Three Dimensions

纳米颗粒基结构色涂层存在颜色不均、寿命短及制造工艺复杂等问题。本研究通过喷涂层工艺制备了基于Mie共振器的非虹彩结构色涂层，采用硅酸钠基质固定聚苯乙烯纳米颗粒（PSNPs）并添加碳黑（CB）抑制散射。实验表明，该涂层颜色均匀性（ΔE00＜0.26）、抗磨损（承受6H铅笔划痕）及耐紫外线、化学腐蚀性能优异，解决了传统结构色涂层在均匀性和耐久性上的瓶颈，具有规模化生产潜力。

　　本研究提出了一种新型的喷雾涂布Mie涂料，旨在解决传统纳米粒子结构色在颜色均匀性、耐用性和可扩展性方面的不足，从而推动其在实际应用中的发展。传统结构色通常依赖于纳米粒子的自组装结构，这使得其颜色表现容易受到结构因子的影响，进而导致颜色不均匀和容易因环境因素而退化。相比之下，Mie涂料通过将聚苯乙烯纳米粒子（PSNPs）嵌入钠硅酸盐基质，并添加碳黑（CB）来实现非虹彩的结构色。这种设计使得颜色变化主要由PSNPs的背向散射决定，而不受粒子间距或排列方式的影响，从而保证了颜色的均匀性和稳定性。

### 颜色均匀性与非虹彩特性

结构色通常依赖于光的干涉或散射，例如光子晶体（PC）、光子玻璃（PG）和逆卵磷脂（IO）材料。这些材料在制造过程中需要复杂的工艺，如浸涂、Langmuir-Blodgett技术或刮取转移，这限制了其在大规模生产中的应用。此外，这些结构色通常对角度敏感，颜色可能会随着观察角度的不同而发生变化，影响其在实际应用中的适用性。然而，Mie散射是一种基于粒子尺寸的非虹彩结构色，其颜色不受结构因子影响，因此可以实现更高的颜色均匀性。研究团队通过在钠硅酸盐基质中嵌入低体积分数的有机PSNPs，并利用CB来抑制前向和多重散射，成功实现了颜色的非虹彩特性。实验表明，这种Mie涂料在喷雾涂布后能够保持高度一致的颜色表现，其颜色差异值（ΔE??）小于0.26，颜色均匀性达到了较高的水平。

### 材料设计与合成

PSNPs通过水相乳液聚合法合成，其尺寸可以根据需要进行调节。研究团队选择了PS50、PS200和PS240三种尺寸的纳米粒子，并在不同体积分数（φ）下进行测试。实验结果显示，当φ值较低时，PSNPs在钠硅酸盐基质中形成无序的三维结构，有效抑制了粒子自组装，从而避免了结构因子对颜色的影响。此外，CB的引入进一步降低了前向和多重散射，使得颜色由背向散射主导。这种材料设计不仅提高了颜色均匀性，还增强了其在各种环境条件下的稳定性。

### 材料性能测试

为了验证Mie涂料的性能，研究团队进行了多项测试，包括机械耐久性、紫外线耐久性和化学稳定性测试。在机械耐久性测试中，使用6H铅笔进行划痕测试，结果显示Mie涂料在高强度划痕下仍能保持颜色不变，而传统的PG样品则容易被刮伤。此外，在摩擦测试中，Mie涂料表现出良好的抗磨损性能，其ΔE??值保持在可接受的阈值以下，说明其在实际应用中具有较高的耐用性。

在紫外线测试中，Mie涂料在72小时的UV-C照射后，其ΔE??值仍低于1.87，表明其颜色变化极小。相比之下，PG样品在48小时后颜色变化已超出可接受范围。这表明Mie涂料在户外应用中具有更好的抗紫外线性能。

在化学稳定性测试中，Mie涂料在乙醇、异丙醇（IPA）和丙二醇单甲醚（PGME）中均表现出优异的抗溶剂性能。虽然PG样品在PGME中出现了显著的颜色变化，但Mie涂料的颜色几乎没有受到影响。这是因为钠硅酸盐基质能够有效防止溶剂渗透，从而保护了嵌入的PSNPs，使其不易被溶解。

### 实际应用前景

Mie涂料的优势在于其高度均匀的颜色、良好的耐用性和可扩展性，这使得其在工业、汽车和建筑领域具有广泛的应用潜力。传统的结构色材料往往难以满足大规模生产的需求，而Mie涂料通过简单的喷雾涂布工艺，能够实现大面积、均匀的结构色。此外，其非虹彩特性使其更适合用于需要柔和、舒适的视觉效果的场合，如家具、墙面装饰等。

与传统涂料相比，Mie涂料不仅具有更高的颜色均匀性和稳定性，还具有更长的使用寿命。这使得其在环保和可持续发展方面具有明显优势。此外，由于使用有机PSNPs，其制造过程更加环保，减少了对有毒化学物质的依赖，从而符合当前对绿色材料的需求。

### 实验方法与技术细节

在实验设计中，研究团队采用了多种技术手段，包括扫描电子显微镜（SEM）用于观察纳米粒子的形态和涂层结构，以及光谱仪和色差计用于测量反射率和颜色差异。通过这些技术手段，研究团队能够精确地评估Mie涂料在不同条件下的性能表现。

此外，研究团队还使用了蒙特卡洛模拟来预测不同φ值下的光学特性，帮助优化材料设计。这些模拟结果与实验数据一致，进一步验证了Mie涂料的性能优势。

### 总结与展望

综上所述，本研究开发的Mie涂料通过结合低体积分数的有机PSNPs和CB，成功实现了高度均匀、耐用且可扩展的非虹彩结构色。这种材料不仅在颜色表现上优于传统结构色，还在机械、紫外线和化学稳定性方面表现出色。未来，研究团队计划进一步优化材料配方，探索不同尺寸和类型的纳米粒子对颜色表现的影响，并尝试将Mie涂料应用于更多领域，如柔性材料和卷对卷制造的薄膜。此外，还将研究使用Mie涂料进行复杂图案打印的技术，以拓展其应用范围。Mie涂料的开发不仅为结构色材料提供了新的解决方案，也为环保、可持续的涂料工业带来了新的可能性。