一种用于无机球形纳米颗粒聚集体的显色方法

摘要

本发明属于纳米光子学显色技术领域，涉及一种用于无机球形纳米颗粒聚集体的显色方法，以不同尺寸的纳米球形颗粒为原料，通过填充强吸光度的碳材料以降低纳米颗粒的漫反射光强，从而增大反射光中不同波长的光的光强相对区别度，使得纳米颗粒聚集体显示出不同颜色，具体工艺过程包括液态碳溶胶的制备、填充碳溶胶以引起显色效应和多孔碳导致的显色效应；显色后的材料具有不褪色、不变色、便于观察等优点；该方法设计科学，原理可靠，所用试剂简单，操作工艺简便，条件易控，环境友好。

说明书

技术领域：

本发明属于纳米光子学显色技术领域，涉及一种用于无机球形纳 米颗粒聚集体的显色方法，以不同尺寸的纳米球形颗粒为原料，通过 填充强吸光度的碳材料以降低纳米颗粒的漫反射光强，从而增大反射 光中不同波长的光的光强相对区别度，使得纳米颗粒聚集体显示出不 同颜色。

背景技术：

在物理学中，当一束光线透过胶体，从入射光的垂直方向可以观 察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，这种现象叫丁达尔现象，而 这条光亮的“通路”是由于胶体粒子对光线散射作用引起的；根据 Mie散射理论可知，当球形的胶体粒子的直径d与光的波长λ相当时 会出现Mie共振现象，即散射光中某些波长的光强度被加强而某些波 长的光强度被减弱。我们知道，单个纳米颗粒能够散射的光强度非常 小，进入人眼中的光通量也非常小导致很难被人眼感知，因此单个的 纳米颗粒人眼是无法观察到的；而当大量的纳米颗粒聚集在一起形成 块体材料时，其对不同波长的光的散射光的光强度会比较大，进入人 眼中的光通量也会增多使得人眼能够感知到，即实践中人眼看到的大 都是块状的纳米颗粒聚集体。但是，在纳米颗粒聚集成的块体材料的 散射光中，由于每种波长的光的光强度都大，而且光遇到块体材料表 面的粒子后回被散射，向前散射的光会被块体材料内部的颗粒散射， 向后散射的光再次被表面层的粒子散射后从块体材料中射出，经过多 次散射以后入射光除了被吸收外其余均被反射，因此人眼观察到的被 加强的光和被减弱的光之间的光强差相对于光强来说是非常小的，人 眼根本无法分辨不同波长的光的光通量之间的差别，所以大量的纳米 颗粒聚集形成的块体材料在人眼中均是白色的。目前，现有技术中还 未见有有关纳米材料显色的装置和方法，因此本发明研究设计出一种 能够使纳米材料显现颜色的方法，以便于人们观察研究，具有重要的 科研意义和应用价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，通过对球形纳米颗粒聚 集成的块体材料中填充具有强吸光性的碳材料，以降低纳米颗粒聚集 体的反射光的光强，提高不同波长的光的衬度，使纳米颗粒聚集体显 示颜色。

为了实现上述目的，本发明在无机球形纳米颗粒聚集体的间隙中 填充不同质量百分比的对光具有强吸收性的碳材料，实现纳米颗粒聚 集体的显色，具体包括以下步骤：

(1)液态碳溶胶的制备

先将糠醛、间苯二酚、十六烷基三甲基溴化铵和六亚甲基四胺按 照摩尔比为100:200:1:1的比例混合后加入到无水乙醇中，配制成质 量分数为10-35％的混合溶液，再将混合溶液在50℃水浴中加热，保 持转速300RPM机械搅拌至液体完全变成黑色后终止反应，制成液态 碳溶胶备用；

(2)填充碳溶胶以引起显色效应

取10-50ml固相体积分数在5-10vol.％的直径为200-1000纳米的 球形纳米颗粒的悬浮液(水为溶剂)放到离心管中，在10000RPM离心 速率下离心使得球形纳米颗粒快速堆积形成块状材料，倒掉上层液后 将块状材料于90-100℃下烘干10-15h制得块状纳米颗粒聚集体；将步 骤(1)中制备的液态碳溶胶滴到块状纳米颗粒聚集体上，待块状纳 米颗粒聚集体完全被碳溶胶浸润后放入90℃的烘箱中烘干24-36小 时，使得碳溶胶聚合成碳凝胶，填充了碳凝胶的不同直径的块状纳米 颗粒聚集体显示出不同颜色；

(3)多孔碳导致的显色效应

将步骤(2)中滴加碳凝胶后的块状纳米颗粒聚集体放入管式炉 中，以氩气为保护气体，首先以500ml/min的气流速度充入氩气保持 20-50分钟后将气流调节为150ml/min，同时将管式炉以5℃/min的速 度升温至950-1050℃保温3小时，然后自然降温至20-25℃，此时块状 纳米颗粒聚集体间隙中的碳凝胶被碳化成多孔碳，步骤(2)中填充 了碳凝胶的块状纳米颗粒聚集体的颜色出现明显变化。

本发明中涉及的糠醛、间苯二酚、十六烷基三甲基溴化铵、六亚 甲基四胺和无水乙醇均为分析纯规格；该方法适用于无机球形纳米颗 粒聚集体，针对同种材料的不同粒径的无机球形纳米颗粒聚集体，能 够显示出不同的颜色。

本发明与现有技术相比，通过酚醛树脂将无机纳米球形颗粒进行 浸渍后碳化的方法，使得无机纳米材料显示出明亮颜色；并通过对无 机球形纳米材料的直径的调整实现不同颜色的显现，而且不同颜色与 观察角度无关；该方法设计科学，原理可靠，所用试剂简单，操作工 艺简便，条件易控，环境友好。

附图说明：

图1为本发明涉及的显色方法的工艺流程示意框图。

图2为本发明中涉及的多孔碳和碳凝胶的实物对照示意图。

图3为本发明中实施例1涉及的二氧化硅微球块状材料填充前和 填充后的对比示意图，其中自下至上第一行为未填充的二氧化硅微球 块状材料，第二行为填充了碳凝胶的二氧化硅微球块状材料，第三行 为填充了多孔碳的二氧化硅微球块状材料。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图做进一步说明，但本发明并不局限于 以下实施方式。

实施例1：

本实施例中涉及的无机球形纳米颗粒聚集体以二氧化硅微球块 状体为例，所述球形纳米颗粒聚集体显色方法具体包括以下步骤：

(1)液态碳溶胶的制备：按照摩尔比为100:200:1:1的比例分 别称取糠醛、间苯二酚、十六烷基三甲基溴化铵和六亚甲基四胺混合 后加入到无水乙醇中，在20-25℃下用磁力机械搅拌15分钟，配成 浓度为23wt％(重量百分比)的混合溶液，将混合溶液放入50℃的水 浴中加热，在转速300RPM下搅拌反应至液体的颜色完全变黑后终止 反应，制得碳溶胶备用；

(2)填充碳溶胶以引起显色反应：分别取10ml质量分数为10％ (以水为溶剂)的直径分别为450nm、350nm、300nm和250nm的二氧化 硅微球的悬浮液，各自放到离心管中在10000RPM离心速率下离心以形 成块状材料，倒掉上层液后将块状材料在95℃的烘箱中烘干10小时制 得直径分别为450nm、350nm、300nm和250nm的块状二氧化硅；将步骤 (1)中制备的碳溶胶分别滴到不同直径的块状二氧化硅上，液态的 碳溶胶在二氧化硅间隙中受到毛细作用的影响而进入到整个块体材 料中以填充二氧化硅的间隙，待块状二氧化硅被碳溶胶完全浸润后放 入90℃的烘箱中烘干24小时，使得碳溶胶聚合成碳凝胶，含有碳凝胶 的不同直径的块状二氧化硅显现出不同颜色(具体如图2所示)；

(3)多孔碳导致的显色反应：将步骤(2)中滴加碳凝胶后不同 直径的块状二氧化硅放入管式炉中，首先以500ml/min的气流速度充 入氩气作为保护气体，保持30分钟后将气流调节为150ml/min，同时 将管式炉以5℃/min的速度升温至1000℃保温3小时，然后自然降温至 20-25℃，此时不同直径的块状二氧化硅间隙中的碳凝胶经高温被碳 化成多孔碳，含有多孔碳的不同直径的块状二氧化硅显现出与之前不 同的颜色(具体如图2所示)。

本实施例中步骤(1)涉及的糠醛、间苯二酚、十六烷基三甲基 溴化铵和六亚甲基四胺均为分析纯规格；所述显色方法能够适用于所 有无机球形纳米颗粒聚集体，包括氧化锌微球和氧化钛微球等，且对 于同种材料的不同直径的纳米颗粒聚集体能够显示出不同颜色。