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为解决 TiO2纳米球因表面电荷密度低难以组装成有序结构的胶体光子晶体（CPCs）问题，研究人员开展表面有机硅烷改性研究。用乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）改性 TiO2纳米球，成功制备出可见范围结构色可调的 CPCs，为相关领域提供新途径。
在神奇的材料世界里，有一种特殊的结构 —— 胶体光子晶体（CPCs），它由长程有序排列的胶体纳米粒子组成，就像微观世界里的 “梦幻城堡”。CPCs 拥有独特的光子带隙（PBG），这一 “秘密武器” 能够操控光的传播，选择性地反射特定波长的光，从而产生绚丽的结构色。与传统由染料和颜料产生的颜色不同，结构色具有虹彩般的光泽、金属质感，还不会褪色，并且环境友好，在彩色涂层、显示技术、可视化传感和防伪等众多领域都大有用武之地。
构建 CPCs 的关键在于找到合适的 “建筑材料”，也就是单分散的胶体纳米球。过去，人们常用有机纳米球，如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），以及无机纳米球，像二氧化硅（SiO2）等。然而，这些纳米球的折射率（RI）相对较低（RI<2.0），限制了 CPCs 对光的操控能力，就好比用普通材料搭建的城堡，虽然美观但功能有限。
二氧化钛（TiO2）作为一种高折射率材料（无定形 TiO2的 RI≈1.88，锐钛矿相 TiO2的 RI 为 2.4 ，金红石相 TiO2的 RI 高达 2.9），不仅具备化学稳定性好、无毒、生物相容性佳和成本低等诸多优点，还是备受瞩目的半导体光催化剂以及染料敏化或钙钛矿太阳能电池的光阳极材料。但 TiO2也有自己的 “短板”，其较宽的本征吸收带隙（3.0 - 3.2 eV）导致太阳能利用效率不高。要是能将单分散的 TiO2纳米球自组装成有序的 CPCs，利用 PBG 边缘的慢光效应增强光捕获，就能为 TiO2发挥更大作用带来新希望。
可惜的是，制备单分散的 TiO2纳米球困难重重。钛醇盐前驱体在溶胶 - 凝胶反应中水解速度极快，很难得到单分散的 TiO2纳米球。而且，TiO2纳米球表面电荷密度低，这使得它们难以组装成长程有序结构的 CPCs。尽管科研人员付出诸多努力，如 Jiang 等人合成单分散的乙醇酸钛纳米球并组装成 CPCs，但高温煅烧过程会导致纳米球直径收缩，CPCs 出现裂纹，影响光学性能；Xia 等人通过引入巯基乙酸提高 TiO2纳米球表面电荷密度，可重力沉降法组装的 CPCs 依然有裂纹，无法产生理想的结构色。
为了攻克这些难题，大连理工大学的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们提出了一种表面有机硅烷改性策略，利用乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）对单分散的 TiO2纳米球进行表面改性，成功制备出在可见范围内具有明亮且可调结构色的 CPCs，相关成果发表在《Applied Surface Science》上。这一研究成果意义重大，为 TiO2基光功能材料的发展开辟了新方向，有望推动其在多个领域的广泛应用。
研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。首先，通过控制 TBOT 在甲醇 / 乙腈混合溶剂中的水解和缩合反应，并添加己酸作为配体，制备出单分散的 TiO2纳米球。接着，使用 VTES 对 TiO2纳米球进行表面改性，利用 XPS 分析确定 VTES 分子与 TiO2表面的结合方式。最后，采用 dip coating 方法将改性后的 TiO2纳米球自组装成 CPCs，并对其结构和光学性能进行表征 。
单分散 VTES 改性 TiO2纳米球的形貌和表征
研究人员利用 TBOT 在甲醇 / 乙腈混合溶剂中水解和缩合反应制备单分散 TiO2纳米球。为了让 TiO2纳米球拥有均匀的球形形貌，研究人员先用己酸对 TBOT 进行改性，形成 (C5H11COO)x(C4H9O)4-xTi（x = 1, 2, 3, 4）络合物，降低其水解速率。同时，引入乙腈作为共溶剂，提高纳米球的球形度。经过一系列操作，成功制备出单分散的 TiO2纳米球。
表面改性对 TiO2纳米球表面电位的影响
XPS 分析表明，VTES 分子通过 Ti - O - Si 化学键附着在 TiO2表面，并且引入了额外的 Si - OH 基团。这些 Si - OH 基团能够增加 TiO2纳米球的表面电位，改善其表面性质，为后续自组装成有序结构奠定基础。
CPCs 的制备和光学性能
研究人员以单分散的 VTES 改性 TiO2纳米球或锐钛矿相 TiO2纳米球为构建单元，通过 dip coating 方法自组装制备 CPCs。这些 CPCs 在整个可见光谱范围内呈现出明亮且可调的结构色，具备良好的光学性能，证明了表面改性策略的有效性。
在这项研究中，研究人员开发出一种高效的表面有机硅烷改性策略，该策略具有双相适用性和高稳定性，能够有效提高 TiO2胶体纳米球的表面电荷密度。VTES 分子通过 Ti - O - Si 化学键锚定在 TiO2表面，并提供额外的 Si - OH 基团，增加了表面电荷密度。经煅烧结晶为锐钛矿相后，改性纳米球仍能保持表面电荷密度和单分散形貌。最终，成功制备出具有明亮且可调结构色的 CPCs。
这项研究成果为 TiO2基光功能材料的设计和制备提供了新的思路和方法。通过表面改性调控 TiO2纳米球的表面性质，实现其在 CPCs 领域的有效应用，有望推动彩色涂层、显示技术、可视化传感和防伪等多个领域的发展，为相关产业的技术升级带来新的机遇。
