Self-assembled photonic pigments for non-iridescent structural color

09/02/2021

Neste trabalho foram desenvolvidas novas estruturas fotónicas coloidais esféricas tendo em vista a sua aplicação como pigmentos com cor estrutural não iridescente, exibindo uma vasta gama de cores brilhantes e saturadas, desde o azul até ao vermelho. A cor estrutural em cristais fotónicos coloidais, resulta da reflexão seletiva de luz incidente, quando esta interage com uma estrutura que apresente uma variação periódica de índice de refração numa escala comparável com o comprimento de onda da luz visível. Estes pigmentos fotónicos foram preparados por auto-organização de nanopartículas poliméricas, compostas por um núcleo de poli(estireno) e uma coroa de poli(metacrilato de metilo-co-ácido acrílico) com uma baixa dispersão de tamanhos. A carga presente na coroa destas nanopartículas direciona a sua auto-organização em estruturas cristalinas coloidais com empacotamento cúbico de faces centradas. Para que a cor refletida não varie com o angulo de observação, ou seja, de maneira a obter uma cor não iridescente, a auto-organização destas nanopartículas é condicionada por confinamento esférico em pequenas gotas aquosas, recorrendo à tecnologia microfluídica. Nanopartículas com diâmetros compreendidos entre 173 nm e 331 nm, originam pigmentos que refletem cores em toda a gama de comprimentos de onda do visível, desde o violeta a 420 nm até ao infravermelho próximo a 800 nm. Foram obtidos pigmentos com diferentes graus de cristalinidade/desordem variando as condições de evaporação da água das microgotas. Aumentando a temperatura do processo de auto-organização de 50°C para 65°C, aumenta a desordem estrutural, o que se traduz num alargamento da banda de refletividade e no aumento da dispersão difusa de luz. Curiosamente, a iridescência destes pigmentos esféricos depende pouco do grau de ordem/desordem da estrutura, sendo inferior a 10%, tanto para pigmentos com maior extensão de domínios policristalinos mas sem completa periodicidade, como para pigmentos amorfos com ordem de curto alcance e estrutura isotrópica. We developed novel spherical colloidal photonic structures for application as noniridescent structurally colored pigments, exhibiting bright and saturated colors, ranging from blue to red. Structural color in colloidal photonic crystals results from the selective reflection of incident light when it interacts with a structure with periodic variations in refractive index on a scale commensurate with the visible light range. These photonic pigments were prepared by self-assembling polymeric nanoparticles composed of a poly(styrene) core and a poly(methyl methacrylateco-acrylic acid) shell with very low size dispersity. The shell charge of the nanoparticles directs their self-assembling into colloidal crystal structures with face-centered cubic packing. To obtain non-iridescent colors (i.e., that do not change upon changing the angle of observation), we constrain the self-assembly process of these nanoparticles through spherical confinement in small aqueous droplets by microfluidics technology, resulting in photonic pigments without full periodicity upon water evaporation. Different nanoparticles, with diameters ranging from 173 nm and 331 nm, originate pigments with bright and saturated colors throughout the entire visible spectrum, from the violet at 420 nm to near-infrared at 800 nm. Pigments with different degrees of crystallinity/disorder were obtained by changing the water evaporation conditions of the microdroplets. By increasing the assembly temperature from 50°C to 65°C, disorder increases, resulting in spectral broadening of the reflectance bands, and increase of diffuse scattering. Interestingly, the iridescence of these spherical pigments shows low dependence on order/disorder structural degrees, being always lower than 10%, either for pigments with larger polycrystalline domains but no full periodicity, and for the ones with amorphous short-range correlations and isotropic structure. In another approach to obtain non-iridescent pigments with saturated colors, broad-spectrum absorbers were introduced into our spherical photonic pigments, namely polydopamine nanoparticles (PDNPs). The homogeneously distributed PDNPs, enhance the saturation of the reflected colors by absorbing diffuse scattering, while at the same time hampers colloidal crystallization, contributing to short-range correlation and isotropic structures.

Autores da comunidade :

• 

  L

  Laurinda Rosa Pereira Areias

  ist27784

Orientadores desta instituição:

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  J

  José Paulo Sequeira Farinha

  ist13296

101494629

Doutoramento em Química

chemical-sciences - Química

Palavras-chave

• Monodispersed polymeric nanoparticles
• Microfluidic emulsification
• Confined self-assembly
• Spherical photonic pigments
• Spherical photonic pigments color
• nanopartículas poliméricas monodispersas
• emulsificação por microfluídica
• auto-organização confinada
• pigmentos fotónicos esféricos
• cor estrutural não-iridescente

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