東京大學研究生院工學研究科的加藤利喜特任研究員（研究當時）、研究生三上喬弘、加藤隆史教授等人組成的研究團隊成功開發出了一種主要成分爲鯊魚牙齒中的無機成分——氟磷灰石的結構色光學材料。這種新材料可在常溫水中合成，是一種不易溶解的穩定化合物，且對環境衝擊較小的新型環保材料。今後不僅有望應用於微量蛋白質檢測感測器和光學器件，還有望應用於人造骨骼和植牙等。相關成果已發表在期刊《Advanced Materials》上。
圖1 由氟磷灰石奈米混合物構成的結構色光學材料（供圖：東京大學）
此次研究團隊合成了大小均勻的棒狀氟磷灰石奈米混合物，並進行二維聚集，從而開發出了一種呈現彩虹色的光學材料。奈米混合物的合成受到了生物骨骼和牙齒的產生機制——生物礦化的啓發。研究人員利用掃描電子顯微鏡和穿透電子顯微術進行了粒子形狀觀察和結構分析。
透過最適化合成條件，合成出了長度爲886至600奈米，直徑爲228至129奈米的尺寸分佈非常接近的氟磷灰石奈米混合物。此外，研究人員還發現這些粒子是由直徑爲5奈米的小型氟磷灰石微晶的聚集而成的。
氟磷灰石奈米混合物本身爲牙白色，但透過調變到特定濃度時就會形成液晶狀態，並呈現出藍色、綠色、黃色、紅色等顏色。這些顏色鮮豔，反射率超過50%。另外，研究人員還觀察到根據角度的不同顏色也會發生變化，就像在孔雀和吉丁蟲的結構色一樣。
研究人員將呈現出這種結構色的氟磷灰石奈米混合物封閉在用聚合物製作的凝膠中，還成功獲得了呈現出動態結構色的軟木料。合成的凝膠在保持其鮮豔的結構色的同時，還具有根據觀察角度的不同顏色發生變化的特性。當凝膠受到壓迫時，氟磷灰石奈米混合物的奈米結構產生變化，從而引發顏色的變化。這種由壓迫引起的顏色變化甚至在變形十次後依然可以反復觀察到。另外，電子顯微鏡還揭示了聚合物是如何將粒子緊密連接在一起的。
此次開發的由水和氟磷灰石奈米混合物組成的結構色光學材料，預計不僅可用作環保型色材，還有望實際應用於微量蛋白質檢測感測器、調節光的光學材料以及人造骨骼和植牙等生物應用廣泛領域。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Advanced Materials
論文：2D Photonic Colloidal Liquid Crystals Composed of Self-Assembled Rod-Shaped Particles
DOI：10.1002/adma.202404396
