东京大学研究生院工学研究科的加藤利喜特任研究员（研究当时）、研究生三上乔弘、加藤隆史教授等人组成的研究团队成功开发出了一种主要成分为鲨鱼牙齿中的无机成分——氟磷灰石的结构色光学材料。这种新材料可在常温水中合成，是一种不易溶解的稳定化合物，且对环境影响较小的新型环保材料。今后不仅有望应用于微量蛋白质检测传感器和光学器件，还有望应用于人造骨骼和植牙等。相关成果已发表在期刊《Advanced Materials》上。
图1 由氟磷灰石纳米混合物构成的结构色光学材料（供图：东京大学）
此次研究团队合成了大小均匀的棒状氟磷灰石纳米混合物，并进行二维聚集，从而开发出了一种呈现彩虹色的光学材料。纳米混合物的合成受到了生物骨骼和牙齿的产生机制——生物矿化的启发。研究人员利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行了粒子形状观察和结构分析。
通过优化合成条件，合成出了长度为886至600纳米，直径为228至129纳米的尺寸分布非常接近的氟磷灰石纳米混合物。此外，研究人员还发现这些粒子是由直径为5纳米的小型氟磷灰石微晶的聚集而成的。
氟磷灰石纳米混合物本身为牙白色，但通过调制到特定浓度时就会形成液晶状态，并呈现出蓝色、绿色、黄色、红色等颜色。这些颜色鲜艳，反射率超过50%。另外，研究人员还观察到根据角度的不同颜色也会发生变化，就像在孔雀和吉丁虫的结构色一样。
研究人员将呈现出这种结构色的氟磷灰石纳米混合物封闭在用高分子制作的凝胶中，还成功获得了呈现出动态结构色的软材料。合成的凝胶在保持其鲜艳的结构色的同时，还具有根据观察角度的不同颜色发生变化的特性。当凝胶受到压迫时，氟磷灰石纳米混合物的纳米结构产生变化，从而引发颜色的变化。这种由压迫引起的颜色变化甚至在变形十次后依然可以反复观察到。另外，电子显微镜还揭示了高分子是如何将粒子紧密连接在一起的。
此次开发的由水和氟磷灰石纳米混合物组成的结构色光学材料，预计不仅可用作环保型色材，还有望实际应用于微量蛋白质检测传感器、调节光的光学材料以及人造骨骼和植牙等生物应用广泛领域。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Advanced Materials
论文：2D Photonic Colloidal Liquid Crystals Composed of Self-Assembled Rod-Shaped Particles
DOI：10.1002/adma.202404396
