Adv.Mater.封面：穿過你的黑髮的我的光

文化 07-18

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每當電視里播出洗髮水廣告的時候，俊男美女順滑亮麗的秀髮總讓人羨慕不已。當然，好看的發色不僅來自於頭髮本身，也與打在上面的光的強弱有關。頭髮的結構包括無規分布在角蛋白外層的黑色素顆粒，而黑色素（melanin）主要包括三種類型：褐真色素（brown eumelanin）、黑真色素（black eumelanin）、褐黑素（pheomelanin），它們具有不同的吸收光譜，可以分別賦予頭髮金色、黑色和紅色。不同類型的黑色素顆粒的密度和比例，進一步影響每個人的發色。

東方人的黑髮中主導的色素是真黑色素，它對紫外及可見光區均有較強吸收。然而不知你注意到沒有，就算是黑髮，在強烈的太陽光下會表現出不同的顏色。而且這些強光下的頭髮顏色，人與人之間有所差異，甚至同一個人頭上不同的頭髮也有所差異。這種顏色取決於黑色素顆粒在內部的結構以及人眼對色彩的識別能力。受此啟發，韓國科學技術院（KAIST）的Shin-Hyun Kim等人合成了不同尺寸的類似黑色素的聚多巴胺納米顆粒，研究它們在弱光和強光下不同介質中的顏色，並揭示了背後的機制及提出了可能的應用方向。相關論文發表在Advanced Materials上，並被選為封面文章。

當期封面。圖片來源：Adv. Mater.

研究人員合成了四種尺寸的單分散類黑色素聚多巴胺納米顆粒，尺寸範圍在210 nm至360 nm。掃描電鏡（SEM）和動態光散射（DLS）研究表明，這些納米顆粒的尺寸分布很窄（下圖b/c）。有意思的是，所有納米顆粒分散液在環境光下的顏色都是黑色（下圖d上排）；而用強白光照射時，可以觀察到不同的顏色（下圖d下排）。另外，隨著入射光與觀察者之間角度增加，分散液的顏色雖有減弱但並沒有改變，並未表現出顯著的角度依賴性，這表明顏色並非來自於結構共振引起的相干散射。

強光與弱光下頭髮及不同尺寸聚多巴胺納米顆粒分散液的顏色。圖片來源：Adv. Mater.

為了進一步確認這個結論，研究者研究了分散液中納米顆粒的濃度與顏色的關係。因為如果分散液顏色與結構共振有關，那麼納米顆粒的濃度變化帶來的顆粒間距變化就會導致分散液顏色隨之變化。實驗結果表明，隨著濃度的改變（0.025-0.4 w/w％），分散液顏色並未發生明顯改變（下圖b）。這再次說明分散液顏色並非來自於結構共振，而是取決於每個納米顆粒。在較低的濃度下（0.025-0.4 w/w％），隨著濃度升高，分散液顏色會加深，這是由於更多的顆粒參與其中；當濃度高於0.2 w/w%後，分散液顏色不再加深，這是由於光的平均自由程減少，僅表面處的納米顆粒參與了顯色。另一方面，不同尺寸的顆粒在可見光範圍具有相近的吸收光譜（下圖c），這說明納米顆粒的顏色並不是像化學染料那樣取決于波長依賴的吸收。由於不同尺寸聚多巴胺納米顆粒分散液在強白光照射下能反射出不同的顏色，因此作者研究了分散液的反射光譜，發現分散液的顏色分別對應反射光譜中最低點（dip）的互補色或者峰值點（peak）的顏色，這都與納米顆粒的尺寸相關。結合計算的散射光譜，研究人員認為在強光下不同尺寸納米顆粒的共振米氏散射（resonant Mie scattering）決定了分散液的顏色，而對可見光的強吸收則抑制了多次散射，這使得共振米氏散射佔據了決定性的地位。

納米顆粒濃度與尺寸對顏色的影響。圖片來源：Adv. Mater.

隨後，研究者將類黑色素聚多巴胺納米顆粒製成了「墨水」，這種墨水在普通光照下呈現黑色但在強光下會呈現出不同的顏色。他們將多巴胺納米顆粒分散在光固化樹脂中，介質的改變也會使其顏色發生一定的偏移。通過不同圖案的掩模及紫外光固化過程，研究者們用這種墨水在基底上呈現出了不同的圖案。與其他結構色圖案不同，這種墨水寫下的圖案隨著光照變化會產生非常顯著的變化：在一般的環境光下均表現為黑色，而在強光下不同尺寸的顆粒會顯現出不同的顏色，可呈現多種顏色組成的圖案。這在防偽領域具有非常光明的應用前景。