兩種膠體晶體梯度在暴露于兩種不同溫度時(shí)表現(xiàn)出隨時(shí)間變化的顏色損失。圖片來(lái)源：Marius Sch?ttle

由于它們的虹彩顏色，蛋白石自古以來(lái)就被認(rèn)為是特別珍貴的寶石。這些石頭閃爍的方式是由它們的納米結(jié)構(gòu)引起的。由拜羅伊特大學(xué) Markus Retsch 教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組已經(jīng)生產(chǎn)出模仿這種結(jié)構(gòu)的膠體晶體，適用于構(gòu)建新型傳感器。這些傳感器在定義的時(shí)間段內(nèi)可以明顯且連續(xù)地記錄其環(huán)境中的溫度。因此，它們是為永久監(jiān)控溫度敏感過(guò)程而量身定制的�？茖W(xué)家們?cè)凇断冗M(jìn)材料》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

這種新型傳感器的有吸引力的應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)�！盀榱爽F(xiàn)代高性能電池的安全運(yùn)行，重要的是它們只能在中等溫度下運(yùn)行數(shù)小時(shí)。短期溫度尖峰會(huì)危及電池的安全性和使用壽命。在新傳感器的幫助下，可以可靠地監(jiān)測(cè)是否符合統(tǒng)一的環(huán)境溫度。此外，由于其材料成分，傳感器已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)編程：它可以自主工作，之后無(wú)法進(jìn)行操作，”新出版物的主要作者、博士研究員 Marius Sch?ttle (M.Sc.) 說(shuō)。Markus Retsch 教授博士物理化學(xué) I 主席兼新研究的協(xié)調(diào)員補(bǔ)充說(shuō)：“我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種對(duì)時(shí)間和溫度敏感的傳感器——不需要復(fù)雜的電子設(shè)備或特殊的測(cè)量設(shè)備。此外，我們合成的人造晶體代表了一類對(duì)基礎(chǔ)研究非常有趣的新材料. 這些膠體梯度有可能幫助我們追蹤以前無(wú)法達(dá)到的物理現(xiàn)象。”

源自天然蛋白石的漸進(jìn)膠體晶體

蛋白石由球形顆粒組成形成高級(jí)納米結(jié)構(gòu)。這些高度對(duì)稱的結(jié)構(gòu)與可見(jiàn)光的相互作用使表面以最多樣化的顏色閃爍。蝴蝶或一些甲蟲(chóng)的翅膀也是如此。近年來(lái)，對(duì)這類材料的天然和人工代表的研究越來(lái)越多。在拜羅伊特大學(xué)，由 Markus Retsch 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組現(xiàn)在研究了是否可以使用這種構(gòu)造原理生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)材料，但可以控制不同顆�；旌衔锏淖兓�，這些顆粒在技術(shù)上具有吸引力。其愿景是實(shí)現(xiàn)沿某個(gè)方向逐漸改變其物理特性的納米結(jié)構(gòu)薄膜。這種獨(dú)特的漸進(jìn)行為可以通過(guò)簡(jiǎn)單地改變二元顆�；旌衔锏慕M成來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此，研究人員開(kāi)發(fā)了一種實(shí)驗(yàn)裝置，可以制備這種包含兩種不同顆粒的漸變膠體晶體。

在實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)了兩種類型的粒子，它們僅在一個(gè)方面有所不同：它們產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)在不同的溫度下融合，因此材料的表面不可避免地失去了彩虹色。從技術(shù)上講，這種不可逆的干法燒結(jié)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生無(wú)色薄膜層。研究人員創(chuàng)造了膠體晶體來(lái)自這兩種類型的粒子，并利用他們新開(kāi)發(fā)的梯度制造技術(shù)。所得晶體的結(jié)構(gòu)總是相同的：在每個(gè)晶體中，在較高溫度下失去結(jié)構(gòu)并因此更穩(wěn)定的顆粒比例不斷向一側(cè)增加。比較研究表明，較大比例的更穩(wěn)定的顆粒會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)結(jié)構(gòu)退化較慢，并延緩由此產(chǎn)生的顏色損失。

作為光學(xué)傳感器的微調(diào)晶體

拜羅伊特團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在利用這一發(fā)現(xiàn)來(lái)微調(diào)各種膠體晶體。一種膠體晶體，其中穩(wěn)定粒子的比例逐漸變化，現(xiàn)在承擔(dān)了傳感器的功能：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)溫度越高，顏色損失沿梯度方向擴(kuò)散得越遠(yuǎn)。恒溫期間的時(shí)間越短，該過(guò)程中止的速度就越快。由于顏色損失在任何情況下都是不可逆的，因此傳感器記錄環(huán)境溫度水平作為時(shí)間的函數(shù)。