科学家发明液态光子材料 色域宽广超越七色彩虹

科学家们发明了一种水基混合物，当它所处环境——比如磁场、温度或者pH值发生变化时，这种混合物就会快速变色。科学家们将这种混合物命名为“光子水”。

光子水多彩性无人能及，除了能呈现可见光范围中的任何颜色外，还能反射部分紫外和红外区间的光。相较于其它所有固体或液体材料，光子水是有报道以来颜色变化范围最广的。

来自日本的多家研究机构的研究者KokiSano等人在《NatureCommunication》上发表了相关论文。

科学研究中往往会发生无心插柳的故事，研究者们是在试图分离不同粒径的颗粒时无意中发现了这种独特的材料。虽然分离实验并不成功，但产生的现象却令人惊奇——当将分离产物放入水中时，水呈现出了鲜艳的紫色。

通过进一步研究，科学家们发现这种多彩混合物同时表现出了流动性和有序性。而这两种概念乍一看是矛盾的，因为流动往往意味着无序。

但这种新物质异乎寻常的具有高度有序性，就如同晶体结构一般。此外，组成该物质的重复单元结构间的间距非常大，最大可达675nm——这个间距对应的反射波长为1750nm（属于红外区间）。

经过适当调节，这种液体不仅可以反射整个可见波长范围内的光——大约从400nm一直到700nm，甚至还可以反射位于紫外区间的370nm短波光。这一从370nm到1750nm是迄今为止有报道的，光子或“光调节”材料中最大的“显色”范围。

为何这种液体能够反射如此多的颜色？光子水，正如它的名字那样，其实很大程度上相当于水：其中占体积99.5%的成分是水，剩下的0.5%为“活性成分”——由钛酸盐纳米片（TiNS）和季铵盐（Q+离子）组成。

当把活性成分加入水中以后，它不会像盐或糖那样溶解，而是维持其原有结构，如同沙子进入水中一样。这种非溶解性颗粒被称为胶体颗粒，胶体颗粒进入水中以后形成的物质叫做胶状分散体（通常简称为胶体），但这种胶体并不同于现今人们知道的其他胶体。

这些胶体颗粒具有很强的极性，使得其单元结构有序排列形成了长间距结构，赋予了这种新型胶体特殊的性质。钛酸盐纳米片具有很强的负电性，0.75nm厚的纳米片就可以产生强烈的互斥作用。通常，这种互斥作用会被包围在四周的季铵盐正电离子(Q+离子）减弱，Q+离子的存在很大程度上抵消了钛酸盐纳米片间的负电互斥作用。

不同钛酸盐纳米片浓度下，光子水呈现出不同的色彩

图片来源：NatureCommunication

然而科学家发现，当用离心法去除部分Q+离子以后（离心法通常用于分离不同粒径的胶体颗粒），胶体变成了紫色。当缺少Q+离子削弱互斥作用时，胶体中的钛酸盐纳米片会最大程度的分散，进而导致液体中的物质发生重排，长的单元间距使得液体反射较长波长的光。

反之，普通的水没有这种有序的长单元间距，使得它反射的光的波长比可见光波长短很多，因此普通水是透明的。

研究者表示，光子水的颜色可以跟随胶体所处磁场环境的变化进行快速改变，而且这种变化是可逆的。磁场可以使钛酸盐纳米片垂直于磁场方向排列。

类似的，对光子水进行加热或者制冷，会引起纳米片间的间距变化，从而导致胶体颜色改变。即使是pH值的微小变化也能引起胶体颜色改变，比如可以从红色（pH7.9）变为绿色（pH7.7）再变到蓝色（pH7.3），这是由于pH值变化会引起静电排斥力的改变，导致光子水的结构和颜色改变。

总的来说，光子材料在近红外区域对光的反射性能，可以在远程通讯中起到重要作用。虽然现阶段操作起来还有难度，但光子水在这一领域和其他领域都具有应用潜力。

Ishida表示，利用光子水对不同物理化学因素的响应特性和其宽泛的色彩调节范围，和智能光学设备一样，人们可以将它应用到很多领域，包括光学传感、显示、远程通讯中的近红外过滤、光子激光等等。

研究者们还希望，这些研究结果能适用于液体以外的其他物质。比如，最近他们将该实验方法用于软性材料，通过加强钛酸盐纳米片间的静电相互作用，使软性材料具备了特殊的功能。

科学家们希望这项惊人的发现不止给钛酸盐纳米片带来新生，还能够让传统的胶体科学焕发新的生命。

参考：K.Sano, Photonic water dynamically responsive to external stimuli, NatureCommunication 2016, 7, 12559.