Adv. Mater.封面：穿过你的黑发的我的光

每当电视里播出洗发水广告的时候，俊男美女顺滑亮丽的秀发总让人羡慕不已。当然，好看的发色不仅来自于头发本身，也与打在上面的光的强弱有关。头发的结构包括无规分布在角蛋白外层的黑色素颗粒，而黑色素（melanin）主要包括三种类型：褐真色素（brown eumelanin）、黑真色素（black eumelanin）、褐黑素（pheomelanin），它们具有不同的吸收光谱，可以分别赋予头发金色、黑色和红色。不同类型的黑色素颗粒的密度和比例，进一步影响每个人的发色。

东方人的黑发中主导的色素是真黑色素，它对紫外及可见光区均有较强吸收。然而不知你注意到没有，就算是黑发，在强烈的太阳光下会表现出不同的颜色。而且这些强光下的头发颜色，人与人之间有所差异，甚至同一个人头上不同的头发也有所差异。这种颜色取决于黑色素颗粒在内部的结构以及人眼对色彩的识别能力。受此启发，韩国科学技术院（KAIST）的Shin-Hyun Kim等人合成了不同尺寸的类似黑色素的聚多巴胺纳米颗粒，研究它们在弱光和强光下不同介质中的颜色，并揭示了背后的机制及提出了可能的应用方向。相关论文发表在Advanced Materials 上，并被选为封面文章。

当期封面。图片来源：Adv. Mater.

研究人员合成了四种尺寸的单分散类黑色素聚多巴胺纳米颗粒，尺寸范围在210 nm至360 nm。扫描电镜（SEM）和动态光散射（DLS）研究表明，这些纳米颗粒的尺寸分布很窄（下图b/c）。有意思的是，所有纳米颗粒分散液在环境光下的颜色都是黑色（下图d上排）；而用强白光照射时，可以观察到不同的颜色（下图d下排）。另外，随着入射光与观察者之间角度增加，分散液的颜色虽有减弱但并没有改变，并未表现出显著的角度依赖性，这表明颜色并非来自于结构共振引起的相干散射。

强光与弱光下头发及不同尺寸聚多巴胺纳米颗粒分散液的颜色。图片来源：Adv. Mater.

为了进一步确认这个结论，研究者研究了分散液中纳米颗粒的浓度与颜色的关系。因为如果分散液颜色与结构共振有关，那么纳米颗粒的浓度变化带来的颗粒间距变化就会导致分散液颜色随之变化。实验结果表明，随着浓度的改变（0.025-0.4 w/w％），分散液颜色并未发生明显改变（下图b）。这再次说明分散液颜色并非来自于结构共振，而是取决于每个纳米颗粒。在较低的浓度下（0.025-0.4 w/w％），随着浓度升高，分散液颜色会加深，这是由于更多的颗粒参与其中；当浓度高于0.2 w/w%后，分散液颜色不再加深，这是由于光的平均自由程减少，仅表面处的纳米颗粒参与了显色。另一方面，不同尺寸的颗粒在可见光范围具有相近的吸收光谱（下图c），这说明纳米颗粒的颜色并不是像化学染料那样取决于波长依赖的吸收。由于不同尺寸聚多巴胺纳米颗粒分散液在强白光照射下能反射出不同的颜色，因此作者研究了分散液的反射光谱，发现分散液的颜色分别对应反射光谱中最低点（dip）的互补色或者峰值点（peak）的颜色，这都与纳米颗粒的尺寸相关。结合计算的散射光谱，研究人员认为在强光下不同尺寸纳米颗粒的共振米氏散射（resonant Mie scattering）决定了分散液的颜色，而对可见光的强吸收则抑制了多次散射，这使得共振米氏散射占据了决定性的地位。

纳米颗粒浓度与尺寸对颜色的影响。图片来源：Adv. Mater.

随后，研究者将类黑色素聚多巴胺纳米颗粒制成了“墨水”，这种墨水在普通光照下呈现黑色但在强光下会呈现出不同的颜色。他们将多巴胺纳米颗粒分散在光固化树脂中，介质的改变也会使其颜色发生一定的偏移。通过不同图案的掩模及紫外光固化过程，研究者们用这种墨水在基底上呈现出了不同的图案。与其他结构色图案不同，这种墨水写下的图案随着光照变化会产生非常显著的变化：在一般的环境光下均表现为黑色，而在强光下不同尺寸的颗粒会显现出不同的颜色，可呈现多种颜色组成的图案。这在防伪领域具有非常光明的应用前景。

新型聚多巴胺纳米颗粒墨水，在不同光强下颜色有所差异。图片来源：Adv. Mater.

可见，黑色有时候不仅仅是黑色，隐藏在微观结构后面的，也许是另一个五彩斑斓的新世界。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Selective Coloration of Melanin Nanospheres through Resonant Mie Scattering

Adv. Mater., 2017, 29, 1700256, DOI: 10.1002/adma.201700256

（本文由YHC供稿）