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仿生结构生色造就色彩斑斓的纺织品 精选

已有 18120 次阅读 2011-6-14 09:24 |个人分类:论文交流|系统分类:论文交流| 仿生, 纺织品, 结构生色

仿生结构生色造就色彩斑斓的纺织品
——《CTA中国纺织及成衣》2011年6月9日
      自然界的魔法造就了花、草、动物等呈现出缤纷绚烂的色彩,而现代科技的发展可以用科学技术来揭示其美丽多彩的奥秘,并通过仿生,使纺织纤维和织物色彩绚丽、鲜亮且富于变化。

随着经济的不断发展和人民生活水平的日益提高,人们对服饰、家纺用品的要求也早已不仅限于实用性,而在很大程度上对其外观、色彩有着更苛刻、更多样化的追求。

大自然孕育出的流光色彩让人类惊叹

目前,纺织品的颜色绝大多数是经过加入化学染料和助剂进行印染而获得,据不完全统计,目前,各种人工合成染料已有数十万种,最常用的也有近万种。但无论何种人工合成染料,都直接或间接存在着环境污染。

难道在纺织印染工业中,美丽必须以牺牲环境为代价?答案也许是:不。

试看,大自然中,山不染而青,水不涂也绿,更有羽绚鳞闪、蝶彩珠莹,自然界的魔法如何造就了如此众多缤纷绚烂的色彩?这正是我们所探求的。

留意可以发现,自然界有些颜色不只是平铺直叙地呈现在眼前,而是随着光线和(眼睛)观察角度的变化而灵动地闪烁。骄阳下孔雀开屏,洒金般耀眼;倏忽间翠鸟掠过,鬼魅般惊艳;翩然间蝴蝶飘飞,精灵般闪现,这一切都让人类惊叹。

自然界颜色产生主要有色素色和结构色两种。色素产生颜色是对光产生选择吸收作用的结果,即选择吸收产生的颜色;而结构色是由色散、散射、干涉和衍射引起选择反射产生的颜色。

现代科技的发展让人类可以用科学技术来揭示美丽多彩的奥秘,通过仿生,使纺织品色彩绚丽且富于变化。

纳米光子晶体成色启发纤维应用灵感

日常观察和科学研究都可以发现,孔雀羽毛的颜色不仅绚丽多彩,而且富有变化,如同金属光泽闪烁发亮。更奇特的是,它的颜色是渐变的”——拿起一束孔雀的羽毛,把眼睛从羽毛的一侧转到另一侧,会发现颜色从蓝绿色变成了黄绿色,这正就是物理结构生色比传统的化学染料生色更加独特和神奇的魅力。

北京服装学院通过研究孔雀羽毛结构得到启发,探索利用物理光学技术,通过一种具有纳米结构的光子晶体为纤维形成特定颜色。

孔雀羽毛美丽光泽图

孔雀小羽枝中的蛋白纤维呈现二维光子晶体结构,积聚状态会产生一种二维周期结构,并沿表皮方向对某一波段的光有很强的反射,形成不同颜色,其调控方式主要有两种:调控周期长度和周期数目。孔雀羽毛不同颜色由表皮下周期结构不同的周期长度来控制,小羽枝的棕色、黄色、绿色、蓝色对应周期长度依次减少。

为了验证孔雀羽毛颜色特点与一般纺织品颜色的不同,可以比较孔雀羽毛不同颜色部分的差别,并测定其红外光谱。红外谱图研究发现,孔雀羽毛的黄色与蓝色区域的羽毛化学成份没有本质区别,证实了孔雀羽毛颜色不是通过颜料(色素)生色形成的,而是通过自身的结构生色。

光学显微镜放大100倍数下,可以清楚地看到羽毛在白光照射下呈现彩色。随着观察角度的变换,颜色差别很大,从淡黄到深绿。在500倍的放大倍数下,可以很清楚地看到小羽枝的色彩呈现金属光泽,表面有清晰的鳞片层,呈竹节状结构。

奥林巴斯(Olympis)光学显微镜下的孔雀羽毛绿色部分结构(左10x10倍,右10x50倍)

放大200倍后再用扫描电镜观察,发现小羽枝的轴直径平均为50~80微米,每个节的长度平均为30~40微米。但这种外在形态并不是生色的主要结构,小羽枝内部还有更微观的结构机理决定着颜色生成。

通过用扫描电镜1500倍、8000倍、15000倍到最高的25000倍观察某小羽枝上的一个羽毛裂纹,能看到小羽枝内排列着一层层蛋白纤维,这种极细的蛋白纤维直径为150~160纳米,达到了纳米级。

衍射现象原理及蛋白石的衍射现象

它们的排列形成了一种二维光子晶体纤维结构,粗细度均匀,层次分明,并严格按照小羽枝的轴向定向排列。这种纳米级的微观物理结构,当受到光束照射时,会对光子形成良好的干涉和迭加,类似于白光通过三棱镜形成七彩光,进而生成颜色。

许多鸟儿羽毛色彩丰富或艳丽,都与其羽毛内部的纳米级微结构有关。这种结构的特点就是纳米级纤维物质的排列存在一定的规律性、周期性,从而呈现出不同寻常的功能。

利用科技手段 让自然之美为纺织品增色

中国古人早就发现并利用了孔雀羽毛独特的生色特性来美化纺织品,云锦就是其中之一。其织造过程中用特殊的工艺把孔雀羽毛碾成丝,加入到纺织品中去,形成了艳丽和富于变化的色彩,而且不褪色。

但现在对野生动物的直接利用已不太现实,而对孔雀羽毛颜色的研究和仿生技术给人类带来解决这个问题的希望——结合纳米仿生制备技术。由于结构生色不会降低光强度,所以产生的颜色特别明亮,甚至还具有金属光泽。色素生色随着化学结构变化,颜色会变化或消失;而结构生色只要材料的折射率和尺寸不变,颜色不会消失。

如果能够将结构生色仿生技术用于纺织印染行业,将革命性地促进行业发展。

可见,人工模拟孔雀羽毛小羽枝的纳米结构单元,将其生色机理用于纺织纤维行业,形成特定的颜色,而不再仅仅依赖化学染色,不但织物颜色明亮且永不消失,并且保护环境。

根据自然界蝴蝶翅瓣表面对光的干涉生色原理,目前,日本帝人(Teijin)已设计并研制出了结构生色纤维Morpho-tex丝。

这是一种多层结构的中空纤维,由数量非常多的PET/PA薄层交替紧密迭合而成,通过严格选择一定折射率的高聚物和适合的各薄层厚度,从而产生很强的一定波长的彩色光。只要合理选择高分子组成,层数足够多,理论上可获得各种纤维颜色。

美国也已经推出了命名为Angelina系列的超细闪光纤维,它也是利用薄膜对光发生干涉而产生闪光的颜色。

这种纤维主要是短纤维,由聚酯和聚酰胺薄膜制成。其中,闪光的Mearl薄膜含有200多层两种或更多种的聚合物,并随着聚合物折射率和厚度的不同,对光产生干涉,进而发生各种闪光的颜色。

这种纤维可以镀金属,因此有金色、银色以及珍珠色等,并且呈扁平状或卷曲状。镀有金属的闪光彩色纤维还具有导电能力。与Morpho-tex纤维一样,这种纤维对湿热处理较敏感,因此,适用于不需要湿热加工的纺织品,特别是与一些染色纤维(或纱线)混纺、交织,制成特别亮丽的服装或工艺品。干涉生色薄膜出现则更早,生产技术难度也相对低,一般不必制成层数很多的薄膜就可获得闪色薄膜。聚合物的种类也多些,除了聚酯和聚酰胺外,还包括聚乙烯、聚丙烯和聚氨酯等。

纺织品涂层加工就是在基布上施加一层或多层高分子薄膜,只要形成的薄膜厚度适当,聚合物的折射率适中,对光就可以发生干涉,并产生颜色,所以,一些涂层织物也可产生干涉生色。这种涂层织物属薄膜干涉生色,对基布有一定影响,而且薄膜厚度比纤维中的厚。

该方法一旦解决了定向排列的问题,相信仿孔雀羽毛结构生色的人工纳米纤维将造福于人类生活。

可兹利用的自然生色机制

散色

发生色散的物质很多,最常见的是空气中的小水滴。宝石与其它一些材料在反光时也会发生色散。例如金钢石有极高的色散值,旋转时,有炫耀的彩色闪光出现。一些材料以细小颗粒施加到纺织品上,也可以通过色散产生彩虹一样的颜色。

散射

自然界生物通过散射产生颜色是由生物体表面存在某些细小颗粒组织引的。

例如蓝鹊的羽毛,其小倒刺是重迭的,它存在于羽支侧面的带钩的组织上。羽支外层角质:无色透明、厚度约为10μm。角质下面有箱状细胞,它含有大量不规则的气囊,大小在30~300nm,它对光有很强的散射能力。羽支对光发生瑞利散射后产生蓝色。

干涉

干涉是同一光源发出的两相干光源在空间相遇,发生的一种明暗条纹交替出现的现象。干涉条纹会随位置距离发生周期性变化。

在薄膜干涉中,导致皂泡、水上油膜、双折射材料和一些动物产生彩虹色彩。这种光干涉产生的颜色的色调很纯,有金属般光泽和透明性。很多鸟类的羽毛随着羽毛表面薄片的折射率、大小形状和厚度不同,会产生各种颜色。随着薄层厚度减小,颜色由红经绿变到蓝。另外,鱼类的鱼的鳞片、眼睛以及蛇皮,一些矿石,还有珍珠、苔藓、海藻叶片等都是由于干涉作用而出现眩闪色泽。

衍射

衍射是光在传播中过程中绕过障碍物边缘而偏离直线传播的现象。衍射颜色取决于层间隔距离,并随着观察角度的变化而变化。衍射颜色取决于层间隔距离,并随着观察角度的变化而变化。

衍射现象原理及蛋白石的衍射现象

天然蛋白石是一种天然衍射光栅,能在白或黑的背景上显示各种颜色闪光,称为颜色晃动。

原文地址:http://www.adsalecta.com/Publicity/ePub/lang-trad/article-7214/asid-44/Article.aspx



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1 谢鑫

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