Контроль оптических свойств и структурной стабильности фотонных структур с использованием ионных частиц

Изобретение относится к способу формирования фотонной структуры. Способ включает: объединение коллоидной частицы, предшественника материала матрицы с переходом золь-гель и ионных частиц в жидкости с образованием смеси, где ионные частицы диспергированы или солюбилизированы в предшественнике материала матрицы; и преобразование смеси в твердое тело посредством гидролиза с образованием фотонной структуры, содержащей матрицу, которая содержит материал оксидной матрицы, окружающий указанную коллоидную частицу. При этом указанную фотонную структуру формируют внутри капли, образованной эмульсией, причем указанные ионные частицы представляют собой: a) соль переходного металла, при этом указанная соль переходного металла включает соль кобальта, соль никеля, соль меди, соль марганца или их смеси; или b) соль щелочного или щелочноземельного металла, при этом указанная соль щелочного или щелочноземельного металла включает соль магния, LiCl, NaCl, KCl, BeCl₂, Be(NO₃)₂, CaSO₄, Ca(NO₃)₂, CaCl₂ или CaCO₃. Также изобретение относится к фотонной структуре. Техническим результатом предложенной группы изобретений является изменение упорядоченности фотонного кристалла от хорошо упорядоченной системы до неупорядоченной системы. 2 н. и 53 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 пр.

 

Родственные заявки

[0001] Настоящая заявка испрашивает преимущество приоритета, ожидающей совместного решения Временной заявки на патент Соединенных, серийный №: 62/316146, поданной 31 марта 2016 года, содержание которой включаются в качестве ссылки.

Уведомление об авторских правах

[0002] Настоящее описание патента может содержать материал, который подлежит защите авторских прав. Обладатель авторских прав не имеет возражений относительно факсимильного воспроизведения любого патентного документа или описания патента, как он появляется в патентной папке или записях Ведомства США по патентам и торговым знакам, но в основном сохраняет любые и все авторские права.

Введение в качестве ссылок

[0003] Все патенты, заявки на патенты и публикации, цитируемые в настоящем документе, тем самым включаются в качестве ссылок во всей своей полноте для более полного описания современного уровня техники, как известно специалистам в данной области на момент времени, когда изобретение описывается в настоящем документе.

Область техники, к которой относится изобретение

[0004] Настоящая заявка относится к фотонным структурам. Более конкретно, настоящая заявка относится к контролю оптических свойств и структурной стабильности фотонных структур с использованием ионных частиц.

Уровень техники

[0005] Использование цветных химических пигментов полностью преобладает в повседневной жизни и представляет собой преобладающий способ получения цветов во всем диапазоне видимого спектра. Однако такие органические пигменты обладают потенциальной токсичностью, а также имеют тенденцию к выцветанию в течение более продолжительных периодов использования.

[0006] Фотонные кристаллы демонстрируют сильный регулируемый цвет, возникающий благодаря геометрии системы (так называемый, структурный цвет) и, таким образом, являются потенциальными кандидатами для использования в качестве пигментов.

Сущность изобретения

[0007] Настоящее изобретение относится к фотонным структурам и к способам контроля оптических свойств и структурной стабильности фотонных структур с использованием ионных частиц.

[0008] В одном из аспектов, настоящее изобретение относится к способу, включающему: объединение коллоидной частицы, предшественника материала матрицы и ионных частиц в жидкости с образованием смеси, где ионные частицы диспергируются или солюбилизируются в предшественнике материала матрицы; и преобразование смеси в твердое тело с образованием фотонной структуры, содержащей матрицу, которая содержит материал матрицы, окружающий указанную коллоидную частицу.

[0009] В определенных вариантах осуществления, указанная матрица содержит указанные ионные частицы.

[0010] В определенных вариантах осуществления, указанная матрица содержит преципитаты указанных ионных частиц.

[0011] В определенных вариантах осуществления, указанная жидкость является водной или органической.

[0012] В определенных вариантах осуществления, указанное преобразование включает гидролиз.

[0013] В определенных вариантах осуществления, указанный предшественник материала матрицы содержит оксид металла или смешанный оксид металла.

[0014] В определенных вариантах осуществления, указанный оксид металла включает оксид кремния, оксид алюминия, оксид титана, оксид циркония или оксид церия.

[0015] В определенных вариантах осуществления, указанный предшественник материала матрицы содержит гидролизуемое соединение.

[0016] В определенных вариантах осуществления, указанное гидролизуемое соединение включает тетраэтилортосиликат (TEOS).

[0017] В определенных вариантах осуществления, указанная коллоидная частица включает полимерный коллоид, керамический коллоид, металлический коллоид, биополимерный коллоид или супрамолекулярный, полученный самосборкой коллоид.

[0018] В определенных вариантах осуществления, указанная коллоидная частица включает полимерный коллоид.

[0019] В определенных вариантах осуществления, указанный полимерный коллоид включает полистирольный или поли(метилметакрилатный) коллоид.

[0020] В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц находится в пределах между 0,1 и 100 мол.% от указанного материала матрицы, окружающего указанную коллоидную частице, где мол.% относится к молекулярному отношению ионных частиц и повторяющихся молекулярных единиц материала матрицы.

[0021] В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц находится в пределах между 1 и 50 мол.% от указанного материала матрицы, окружающего указанную коллоидную частицу.

[0022] В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц находится в пределах между 5 и 20 мол.% от указанного материала матрицы, окружающего указанную коллоидную частицу.

[0023] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является монокристаллической.

[0024] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура становится менее кристаллической при увеличении концентрации указанных ионных частиц.

[0025] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является поликристаллической.

[0026] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является стеклообразной.

[0027] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура свободна от трещин.

[0028] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура формируется внутри капли.

[0029] В определенных вариантах осуществления, размер капли находится в пределах между 0,1 мкм и 10 мм.

[0030] В определенных вариантах осуществления, размер капли находится в пределах между 1 мкм и 10 мм.

[0031] В определенных вариантах осуществления, размер капли находится в пределах между 1 мкм и 1 мм.

[0032] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является спектрально модифицированной, имеет насыщенный цвет, является иридисцентной или демонстрирует контролируемые зависящие от угла оптические свойства.

[0033] В определенных вариантах осуществления, указанные контролируемые зависящие от угла оптические свойства включают спектральные сдвиги, дисперсия при отражении, глянцевитость, насыщенность, блескость, глянец или блеск.

[0034] В определенных вариантах осуществления, указанная ионная частица представляет собой соль металла.

[0035] В определенных вариантах осуществления, указанная соль металла представляет собой соль переходного металла.

[0036] В определенных вариантах осуществления, указанная соль переходного металла включает соль кобальта, соль никеля, соль меди, марганец или их смеси.

[0037] В определенных вариантах осуществления, указанная соль переходного металла включает нитрат кобальта, сульфат никеля, нитрат меди или их смеси.

[0038] В определенных вариантах осуществления, указанная соль металла включает соль магния.

[0039] В определенных вариантах осуществления, указанная соль магния включает сульфат магния.

[0040] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является пригодной для использования при катализе.

[0041] В другом аспекте, настоящее изобретение относится к фотонной структуре, содержащей: первый компонент и компонент матрицы, где указанный компонент матрицы содержит диспергированные или солюбилизированные ионные частицы.

[0042] В определенных вариантах осуществления, указанный первый компонент представляет собой газ.

[0043] В определенных вариантах осуществления, указанный первый компонент представляет собой коллоидную частицу.

[0044] В определенных вариантах осуществления, указанная коллоидная частица включает полимерный коллоид, керамический коллоид, металлический коллоид, биополимерный коллоид или супрамолекулярный, полученный самосборкой коллоид.

[0045] В определенных вариантах осуществления, указанная коллоидная частица включает полимерный коллоид.

[0046] В определенных вариантах осуществления, указанный полимерный коллоид включает полистирольный или поли(метилметакрилатный) коллоид.

[0047] В определенных вариантах осуществления, концентрация указанных ионных частиц находится в пределах между 0,1 и 100 мол.% от указанного компонента матрицы.

[0048] В определенных вариантах осуществления, концентрация указанных ионных частиц находится в пределах между 1 и 50 мол.% от указанного компонента матрицы.

[0049] В определенных вариантах осуществления, концентрация указанных ионных частиц находится в пределах между 5 и 20 мол.% от указанного компонента матрицы.

[0050] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является монокристаллической.

[0051] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является поликристаллической.

[0052] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является стеклообразной.

[0053] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура свободна от трещин.

[0054] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является спектрально модифицированной, имеет насыщенный цвет, является иридисцентной или демонстрирует контролируемые зависящие от угла оптические свойства.

[0055] В определенных вариантах осуществления, указанные контролируемые зависящие от угла оптические свойства включает спектральный сдвиг, дисперсия при отражении, глянцевитость, насыщенность, блескость, глянец или блеск.

[0056] В определенных вариантах осуществления, указанный компонент матрицы дополнительно включает оксид металла или смешанный оксид металла.

[0057] В определенных вариантах осуществления, указанный оксид металла включает оксид кремния, оксид алюминия, оксид титана, оксид циркония или оксид церия.

[0058] В определенных вариантах осуществления, указанный оксид металла включает гидролизуемое соединение.

[0059] В определенных вариантах осуществления, указанное гидролизуемое соединение включает тетраэтилортосиликат (TEOS).

[0060] В определенных вариантах осуществления, указанная ионная частица представляет собой соль металла.

[0061] В определенных вариантах осуществления, указанная соль металла представляет собой соль переходного металла.

[0062] В определенных вариантах осуществления, указанная соль переходного металла включает соль кобальта, соль никеля, соль меди, соль марганца или их смеси.

[0063] В определенных вариантах осуществления, указанная соль переходного металла включает нитрат кобальта, сульфат никеля, нитрат меди или их смеси.

[0064] В определенных вариантах осуществления, указанная соль металла включает соль магния.

[0065] В определенных вариантах осуществления, указанная соль магния включает сульфат магния.

[0066] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является пригодной для использования в структурных пигментах, электромагнитных фильтрах, сенсорах, фотоактивных катализаторах, в когерентно рассеивающих средах, излучателях света, при хаотической лазерной генерации или в других оптических применениях, таких как интеллектуальные дисплеи или другие электрохромные материалы.

[0067] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является пригодной для использования для приготовления косметических, фармацевтических и пищевых продуктов.

[0068] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является пригодной для использования при доставке лекарственных средств, в жидкостных устройствах, в тканевой инженерии, в мембранах, в среде для фильтрования, сорбции/десорбции или в иммобилизирующем носителе.

[0069] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является пригодной для использования в качестве каталитической среды или носителя.

[0070] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является пригодной для использования при накоплении энергии, в батареях или топливных элементах.

[0071] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является пригодной для использования в акустических устройствах.

[0072] В определенных вариантах осуществления, указанная фотонная структура является пригодной для использования в изготовления структуры с рельефом.

Краткое описание чертежей

[0073] Указанные выше и другие цели и преимущества настоящего изобретения станут понятны при рассмотрении следующего далее подробного описания, взятого в сочетании с прилагаемыми чертежами, в которых сходные ссылочные обозначения относятся к сходным деталям на всех чертежах и среди которых:

[0074] Фигуры 1A-1C представляют собой схематические изображения различных фотонных структур в соответствии с определенными вариантами осуществления.

[0075] Фиг.1D представляет собой схематическое представление двухмерной монокристаллической гексагональной решетки и ее радиальной функции распределения (RDF), в соответствии с определенными вариантами осуществления. RDF решетки содержит ряд пиков, соответствующих характерным расстояниям решетки. Первые пять пиков обозначаются как A-E. Более высокие порядки обозначаются дополнительным числом. Например, второй порядок ʺAʺ обозначается как ʺ2A.ʺ

[0076] Фигуры 1E-1G представляют собой схематические изображения различных фотонных структур, в соответствии с определенными вариантами осуществления. Фиг.1E показывает монокристаллические (1), поликристаллические (2) и стеклообразные (3) структуры плотноупакованных сфер одинакового размера. Фиг.1F показывает соответствующее Фурье-изображение. Фиг.1G показывает RDF, генерируемые на основе анализа схематических изображений.

[0077] Фиг.1H представляет собой блок-схему способа самосборки фотонной структуры, в соответствии с определенными вариантами осуществления.

[0078] Фигуры 2A-2C представляют собой изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) иллюстративных сферических фотонных структур, которые получают самосборкой в сферических каплях различных размеров (то есть, 225 нм, 415 нм и 1060 нм, соответственно), в соответствии с определенными вариантами осуществления.

[0079] Фигуры 3A-3C представляют собой изображения SEM иллюстративных инвертированных сферических фотонных структур, которые получают самосборкой в сферических каплях различных размеров, в соответствии с определенными вариантами осуществления. Добавляют второй материал, чтобы он занял промежуточные места, создавая инвертированные опаловые микросферы с помощью неорганической матрицы (например, диоксида кремния (Фиг.3A) и оксида титана (Фиг.3B)) и полимерной матрицы, состоящей из водорастворимого поли(винилпирролидона) (Фиг.3C).

[0080] Фигуры 4A-4F представляют собой изображения SEM фотонных микросфер с различными концентрациями добавленного нитрата кобальта (0 мМ, 0,1 мМ, и 0,2 мМ) в соответствии с определенными вариантами осуществления. Фигуры 4A и 4B соответствуют концентрации 0 мМ, Фигуры 4C и 4D соответствуют концентрации 0,1 мМ и Фигуры 4E и 4F соответствуют концентрации 0,2 мМ.

[0081] Фигуры 5A-5C представляют собой диаграммы инвертированных опаловых порошков, нагруженных Co(NO₃)₂), в соответствии с определенными вариантами осуществления. Фиг.5A показывает инвертированные опаловые порошки, нагруженные увеличивающимся количеством кобальта (то есть, 0 мМ Co(NO₃)₂), 0,64 мМ Co(NO₃)₂), и 1,28 мМ Co(NO₃)₂)), что приводит к увеличению насыщенности цвета образцов, как показывает улучшение видимости образцов на белом фоне. Фигуры 5B и 5C показывают структурный и химический анализ образца, содержащего 0,64 мМ Co(NO₃)₂) (то есть, кобальт составляет 10 мол.%, где мол.% относится к молекулярному отношению ионных частиц и повторяющихся молекулярных единиц материала матрицы в готовой твердой матрице) согласно трансмиссионной электронной микроскопии (TEM) и элементной композиции согласно сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии - энергодисперсионной спектроскопии (STEM-EDS). STEM-EDS показывает, что в пределах разрешения микроскопа, кобальт, кремний и кислород однородно распределены в матрице.

[0082] Фигуры 6A-6C представляют собой диаграммы инвертированных опаловых порошков с введением Co(NO₃)₂), в соответствии с определенными вариантами осуществления. Фиг.6A показывает изображения SEM образцов, содержащих повышающиеся количества кобальта (то есть, 0 мМ Co(NO₃)₂), 0,64 мМ Co(NO₃)₂) и 1,28 мМ Co(NO₃)₂)). Фиг.6B показывает Фурье-изображение для изображений SEM. Фиг.6C показывает RDF, вычисленное на основе анализа изображений SEM.

[0083] Фигуры 7A-7C представляют собой диаграммы инвертированных опаловых порошков с введением NiSO₄, Cu(NO₃)₂ или MgSO₄ в соответствии с определенными вариантами осуществления. Фиг.7A показывает изображения SEM образцов, содержащих 0 мМ NiSO₄, Cu(NO₃)₂ или MgSO₄; 0,64 мМ NiSO₄; 1,28 мМ NiSO₄; 0,64 мМ Cu(NO₃)₂; 1,3 мМ Cu(NO₃)₂; 0,64 мМ MgSO₄ и 1,3 мМ MgSO₄, Фиг.7B показывает Фурье-изображение изображений SEM. Фиг.7C показывает RDF, вычисленную на основе анализа изображений SEM.

Подробное описание

[0084] Структурные цветные пигменты на основе таких материалов как диоксид кремния, оксид титана, диоксид циркония и оксид алюминия, являются в высший степени желательными благодаря их замечательной химической, тепловой и фотостабильности, а также их биосовместимости. Аспекты цветовых свойств структурных цветных пигментов (например, степень иридисценции, эффекты глянцевитости/мерцания и дисперсия при отражении в макроскопическом масштабе от окрашенной поверхности или объема) можно модифицироваться посредством контроля угловой зависимости. Например, дисперсия при отражении представляет собой изменения частоты отраженного света как функцию относительного угла между источником света и наблюдателем.

[0085] Фотонные структуры могут быть полезны в любом применении, где манипулируют светом, включая сенсоры, фотоактивные катализаторы и излучатели света. Контроль оптических свойств фотонных структур, используемых в этих применениях, является критичным, и часто является предпочтительным фотонный кристалл с большей неупорядоченностью. Например, ограничение угловой зависимости отраженного света в сенсорах на основе фотонных кристаллов позволяет пользователям упростить визуальную оценку и/или автоматизировать оценку относительно изменений, происходящих в результате воздействия различных стимулов. Подобным же образом, поскольку фотокатализаторы ускоряют фотоиндуцируемые реакции, когда фотокатализатор погружен в фотонный кристалл, манипуляция угловой зависимостью фотонной запрещенной зоны фотонного кристалла может усилить фотоиндуцируемую активность фотокатализатора. Когда используют сильно упорядоченные фотонные кристаллы, отклик усиливается только для ограниченного диапазона углов, в то время как при использовании менее упорядоченного фотонного кристалла, отклик усиливается в широком диапазоне углов. Подобным же образом, другое преимущество более низкой упорядоченности фотонного кристалла заключается в том, что свет более эффективно захватывается в фотонном кристалле, поскольку имеется большее внутреннее отражение и рассеяние в структуре. Это полезно для фотонных структур, используемых в излучателях света.

[0086] В дополнение к этому, фотонные кристаллы, в особенности менее упорядоченные фотонные кристаллы, являются пригодными в таких применениях как хаотическая лазерная генерация. Например, Андерсоновская локализация представляет собой явление, которое происходит при хаотической лазерной генерации, когда электроны захватываются в металлической структуре из-за неупорядоченности, приводя в результате к изменению фазы металла с проводника на изолятор. Подобным же образом, когерентное обратное рассеяние представляет собой явление, которое происходит при хаотической лазерной генерации, когда свет от лазера многократно рассеивается на многочисленных центрах рассеяния неупорядоченного фотонного кристалла.

[0087] Настоящая заявка относится к фотонным структурам и способам контроля оптических свойств и структурной стабильности фотонных структур с использованием ионных частиц. В определенных вариантах осуществления, посредством введения желаемых ионных частиц, фотонная структура может демонстрировать монокристаллическое, поликристаллическое или даже стеклообразное упорядочение, которое влияет на оптические свойства и структурную стабильность фотонных структур.

[0088] Как обсуждается в настоящем документе, радиальная функция распределения (RDF) может использоваться для определения того, является ли материал монокристаллическим, поликристаллическим или стеклообразным. RDF строится посредством изображения ряда концентрических круговых оболочек вокруг каждой точки решетки и определения плотности частиц, находящихся внутри каждой оболочки, как функции расстояния от рассматриваемых точек. Хорошо упорядоченная система будет иметь разрешенные пики, соответствующие характерным расстояниям между точками решетки, как показано на Фигуре 1D. Повышение степени неупорядоченности в системе плотноупакованных одинаковых сфер будет характеризоваться уширением пиков, уменьшением разрешения между пиками и, как следствие, уменьшением интенсивности пиков на графике RDF. Первый пик, соответствующий самому короткому характерному расстоянию в таких системах (например, диаметру сфер), всегда будет присутствовать. Упрощенные модели монокристаллических, поликристаллических и стеклообразных систем и соответствующие Фурье-изображения, и анализы RDF показаны на Фигурах 1E-G. Результаты для Фурье-изображения и RDF для различных модельных и экспериментальных систем могут сравниваться качественно и количественно.

[0089] Термин ʺмонокристаллическийʺ как используется в настоящем документе, может определяться с использованием радиальной функции распределения. Примеры характерных расстояний в двухмерной гексагональной решетке и соответствующих пиков на графике RDF показаны на Фигуре 1D. Например, пик второго порядка (обозначенный как 2A) сопровождается дополнительным пиком (обозначается как B). Эти два пика можно легко различить на RDF контрольного образца. Например, как показано на Фигуре 6C, второй главный пик 610 на радиальной функции распределения образца может демонстрировать дублетный пик.

[0090] Термин ʺстеклообразныйʺ, как используется в настоящем документе, можно определить с использованием радиальной функции распределения. Стеклообразные системы будут демонстрировать отличимый пик, соответствующий расстоянию между соседними частицами (или порами) в материале, при этом пики, соответствующие более длинным расстояниям, начнут перекрываться и будут разрешаться плохо. Как правило, радиальная функция распределения для сильно неупорядоченной системы будет показывать быстрое уменьшение интенсивности пиков как функцию расстояния и будет иметь пять или меньше преобладающих пиков. Например, образец с 1,28 мМ Co(NO₃)₂), показанный на Фигуре 6C, имеет четыре четко идентифицируемых пика (620).

[0091] Термин ʺполикристаллическийʺ, как используется в настоящем документе, означает структуру, которая ведет себя как материал промежуточный между монокристаллической структурой и стеклообразной структурой. Поликристаллическая структура может определяться с использованием радиальной функции распределения. Поликристаллические системы могут иметь различимые пики RDF для малых периодических расстояний между точками решетки. Пики, соответствующие большим расстояниям, будут разрешаться плохо из-за разброса расстояний между частицами по границам раздела доменов. Пики, вычисленные на Фигуре 1G, могут идентифицироваться сходным образом для поликристаллической модельной системы и монокристаллической системы. Однако поликристаллические пики шире и имеют меньшую интенсивность. Как правило, RDF поликристаллической системы могут показывать пять или более преобладающих пиков. Например, образец с 0,64 мМ Co(NO₃)₂), показанный на Фигуре 6C, имеет пять или более пиков (смотри 630), и второй пик представляет собой не полностью разрешенный дублет по сравнению с контрольным образцом.

1. Фотонные структуры

[0092] Фигуры 1A-1C показывают схематические изображения различных фотонных структур. Например, Фигура 1A показывает схематическую иллюстрацию монокристаллической фотонной структуры. Фигура 1B показывает схематическую иллюстрацию поликристаллической фотонной структуры. Фигура 1C показывает схематическую иллюстрацию стеклообразной фотонной структуры.

[0093] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура может содержать коллоидные частицы, расположенные с монокристаллическим, поликристаллическим или стеклообразным упорядочением.

[0094] В определенных вариантах осуществления, коллоидные частицы могут быть окружены матрицей. В определенных вариантах осуществления, коллоидные частицы могут удаляться, оставляя материал матрицы, окружающий пустые поры.

[0095] В определенных вариантах осуществления, матрица может дополнительно содержать ионные частицы и/или преципитаты ионных частиц. Как описано более полно ниже, введение ионных частиц во время приготовления фотонных структур может давать желаемые оптические свойства и/или структурную стабильность.

[0096] Некоторые иллюстративные структуры включают ʺпрямые опаловыеʺ структуры, в которых коллоидные частицы располагаются в виде монокристаллических, поликристаллических или стеклообразных структур. Некоторые другие иллюстративные структуры включают ʺинвертированные опаловыеʺ структуры, в которых коллоидные частицы удаляются с образованием пустых пор. Некоторые другие иллюстративные структуры включают ʺсоставные опалыʺ, где присутствуют как коллоидные частицы, так и компонент матрицы.

[0097] В определенных вариантах осуществления, фотонные структуры включают полученную самосборкой структуру из коллоидных частиц.

[0098] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура демонстрирует структуру, свободную от трещин. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура демонстрирует домен, свободный от трещин, который превышает 2 мкм. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура демонстрирует домен, свободный от трещин, который превышает 5 мкм. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура демонстрирует домен, свободный от трещин, который превышает 10 мкм. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура демонстрирует домен, свободный от трещин, который превышает 0,1 мм. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура демонстрирует домен, свободный от трещин, который превышает 1 мм.

[0099] В определенных вариантах осуществления, фотонные структуры могут размещаться во множестве различных форм. Например, фотонная структура может размещаться внутри капли с получением в результате сферической формы, как показано на Фигурах 2A-2C и Фигурах 3A-3C. Фигуры 2A-2C показывают некоторые иллюстративные прямые опаловые структуры (без ионных частиц), в то время как Фигуры 3A-3C показывают инвертированные опаловые структуры (без ионных частиц). В определенных вариантах осуществления, размер капли находится в пределах между 0,1 мкм и 10 мм. В определенных вариантах осуществления, размер капли находится в пределах между 1 мкм и 10 мм. В определенных вариантах осуществления, размер капли находится в пределах между 1 мкм и 1 мм. В определенных вариантах осуществления, размер капли находится в пределах между 10 мкм и 10 мм.

[0100] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура включает инвертированную опаловую фотонную структуру, которая демонстрирует голубой цвет. Такие фотонные структуры могут образовываться, например, посредством введения определенных соединений кобальта или меди в матрицу оксида кремния с использованием самосборки коллоидной дисперсии и перехода золь-гель диоксида кремния, нанокристаллических или смешанных предшественников, содержащих соли металлов.

2. Коллоидные частицы

[0101] В определенных вариантах осуществления, коллоидные частицы включают керамические коллоиды. В определенных вариантах осуществления, коллоидные частицы включают металлические коллоиды. В определенных вариантах осуществления, коллоидные частицы включают биополимерные коллоиды. В определенных вариантах осуществления, коллоидные частицы включают супрамолекулярные, полученные самосборкой коллоиды.

[0102] В определенных вариантах осуществления, коллоидные частицы являются стерически-стабилизированными. В определенных вариантах осуществления, коллоидные частицы являются зарядно-стабилизированными. В определенных вариантах осуществления, коллоидные частицы являются стерически- и зарядно-стабилизированными. В определенных вариантах осуществления, коллоидные частицы представляют собой полимерные коллоиды. В определенных вариантах осуществления, полимерные коллоиды представляют собой PVP-стабилизированные субмикронные полистирольные коллоидные частицы. В определенных вариантах осуществления, полимерные коллоиды представляют собой PEG-стабилизированные субмикронные полистирольные коллоидные частицы. В определенных вариантах осуществления, PEG-стабилизированные субмикронные полистирольные коллоидные частицы представляют собой PEG-стабилизированные 244-нм полистирольные коллоидные частицы.

[0103] Можно использовать множество различных типов коллоидных частиц. Коллоиды можно изготавливать из различных материалов или смесей материалов. В определенных вариантах осуществления, материалы представляют собой металлы, такие как золото, палладий, платина, серебро, медь, родий, рутений, рений, титан, осмий, иридий, железо, кобальт, никель, и их сочетания. В определенных вариантах осуществления, материалы представляют собой полупроводниковые материалы, такие как кремний, германий, олово, кремний, легированный элементами группы III или V, германий, легированный элементами группы III или V, олово, легированное элементами группы III или V, и их сочетания. В определенных вариантах осуществления, материалы включают катализаторы для химических реакций. В определенных вариантах осуществления, материалы представляют собой оксиды, такие как диоксид кремния, оксид алюминия, оксид бериллия, оксид благородных металлов, оксиды металлов платиновой группы, оксид титана, диоксид циркония, оксид гафния, оксиды молибдена, оксиды вольфрама, рений оксиды, оксиды тантала, оксиды ниобия, оксиды хрома, оксиды скандия, оксид иттрия, оксиды лантана, оксид церия, оксиды редкоземельных металлов, оксиды тория, оксиды урана, и их сочетания. В определенных вариантах осуществления, материалы представляют собой сульфиды металлов, халькогениды металлов, нитриды металлов, пниктиды металлов и их сочетания. В определенных вариантах осуществления, материалы представляют собой металлорганические соединения, включая различные металлоорганические структуры (MOF), неорганические полимеры (такие как силиконы), металлорганические комплексы и их сочетания. В определенных вариантах осуществления, коллоиды получают из органических материалов, включая полимеры, природные материалы и их смеси. В определенных вариантах осуществления, материал представляет собой полимер, включая поли(метилметакрилат) (PMMA), другие полиакрилаты, другие полиалкилакрилаты, замещенные полиалкилакрилаты, полистирол (PS), поли(дивинилбензол), поли(виниловый спирт) (PVA), поливинилпирролидон (PVP) и гидрогели. Другие полимеры с отличными архитектурами также можно использовать, например, неупорядоченные и блок-сополимеры, разветвленные, звездообразные и дендритные полимеры и супрамолекулярные полимеры. В определенных вариантах осуществления, материал является природным, включая материалы на основе белков или полисахаридов, фиброин шелка, хитин, шеллак, целлюлозу, хитозан, альгинат, желатин и их смеси.

3. Предшественник матрицы

[0104] В определенных вариантах осуществления, матрица фотонной структуры формируется из предшественника матрицы. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы содержит керамический материал. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы представляет собой керамический материал. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы содержит полупроводниковый материал. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы представляет собой полупроводниковый материал. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы содержит оксид металла. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы представляет собой оксид металла.

[0105] В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы содержит компонент на основе оксида алюминия. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы представляет собой материал на основе оксида алюминия. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы содержит компонент на основе диоксида кремния. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы представляет собой материал на основе диоксида кремния. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы представляет собой тетраэтилортосиликат. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы содержит компонент на основе оксида на основе титана. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы представляет собой материал на основе оксида титана. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы содержит компонент на основе диоксида циркония. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы представляет собой материал на основе диоксида циркония.

[0106] В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы содержит предшественник с переходом золь-гель. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы представляет собой предшественник с переходом золь-гель. В определенных вариантах осуществления, предшественник матрицы является предварительно гидролизованным. В определенных вариантах осуществления, предварительный гидролиз предшественника матрицы осуществляют посредством его объединения со спиртом (например, с метанолом или этанолом), кислотой (например, хлористоводородной кислотой) или основанием (например, гидроксидом натрия) и, необязательно, с водой.

[0107] В определенных вариантах осуществления, материал матрицы состоит из нанокристаллов. В определенных вариантах осуществления, нанокристаллы представляют собой нанокристаллы оксида алюминия, диоксида кремния, оксида титана, диоксида циркония, оксида ванадия, оксида иттрия, оксида церия, оксида железа, оксида цинка или оксида меди. В определенных вариантах осуществления, размеры нанокристаллов составляют 0,5-50 нм. В определенных вариантах осуществления, размеры нанокристаллов составляют 1-20 нм.

[0108] В определенных вариантах осуществления, материал матрицы состоит из сочетания предварительно гидролизованного предшественника и нанокристаллов. В определенных вариантах осуществления, предварительно гидролизованный предшественник представляет собой предшественник на основе диоксида кремния, оксида алюминия или оксида титана. В определенных вариантах осуществления, нанокристаллы представляют собой нанокристаллы оксида алюминия, диоксида кремния, оксида титана, диоксида циркония, оксида иттрия или оксида церия.

[0109] В определенных вариантах осуществления, материал матрицы может состоять из различных материалов или смесей материалов. В определенных вариантах осуществления, материалы включают металлы, такие как золото, палладий, платина, серебро, медь, родий, рутений, рений, титан, осмий, иридий, железо, кобальт, никель, и их сочетания. В определенных вариантах осуществления, материалы включают полупроводники, такие как кремний, германий, олово, кремний, легированный элементами группы III или V, германий, легированный элементами группы III или V, олово, легированное элементами группы III или V и их сочетания. В определенных вариантах осуществления, материалы включают катализаторы для химических реакций. В определенных вариантах осуществления, материалы включают оксиды, такие как диоксид кремния, оксид алюминия, оксид бериллия, оксиды благородных металлов, оксид металлов платиновой группы, оксид титана, диоксид циркония, оксид гафния, оксиды молибдена, оксиды вольфрама, оксиды рения, оксиды тантала, оксиды ниобия, оксиды хрома, оксиды скандия, оксид иттрия, оксиды лантана, оксид церия, оксиды редкоземельных металлов, оксиды тория, оксиды урана и их сочетания. В определенных вариантах осуществления, материалы включают сульфиды металлов, халькогениды металлов, нитриды металлов, пниктиды металлов и их сочетания. В определенных вариантах осуществления, материалы включают металлорганические соединения, включая различные металлоорганические структуры (MOF), неорганические полимеры (такие как силиконы), металлорганические комплексы и их сочетания. В определенных вариантах осуществления, матрицы изготавливают из органических материалов, включая полимеры, природные материалы и их смеси. В определенных вариантах осуществления, материал представляет собой полимер, включая поли(метилметакрилат) (PMMA), другие полиакрилаты, другие полиалкилакрилаты, замещенные полиалкилакрилаты, полистирол (PS), поли(дивинилбензол), поли(виниловый спирт) (PVA), поливинилпирролидон (PVP) и гидрогели. Другие полимеры с другой архитектурой также можно использовать, например, неупорядоченные и блок-сополимеры, разветвленные, звездообразные и дендритные полимеры и супрамолекулярные полимеры. В определенных вариантах осуществления, материал представляет собой природный материал, включая материалы на основе белков или полисахаридов, фиброин шелка, хитин, шеллак, целлюлозу, хитозан, альгинат, желатин и их смеси.

4. Ионные частицы

[0110] В определенных вариантах осуществления, термин ʺионные частицыʺ включает катионные и/или анионные частицы.

[0111] Иллюстративные катионные частицы включают Ag^x+ (x=4,3,2,1), Au^x+ (x=5,3,2,1), Co^x+ (x=5,4,3,2,1), Cr^x+ (x=6,5,4,3,1), Cu^x+ (x=4,3,2,1), Fe^x+ (x=6,5,4,3,2,1), Mn^x+ (x=7,6,5,4,3,1), Mo^x+ (x=6,5,4,3,1), Pt^x+ (x=6,5,4,3,2,1), W^x+ (x=6,5,4,3,1), Zn^x+ (x=2,1), и другие катионы металлов, комплексные катионы (неорганические и металлорганические), ониевые катионы (включая NR⁴⁺ (например, аммоний, пирролидиний), ониевые катионы с многовалентными замещениями (включая иминий, имидазолиний и пиридиний), пиразолий, тиазолий, PR₄⁺ (фосфоний) и SR₃⁺(сульфоний), где R может представлять собой, например, H, CH₃(CH₂)_n, или арил), и другие органические катионы.

[0112] Иллюстративные анионные частицы включают галогениды (Cl^-, Br^-, I^-, F^-), бораты (такие как BF₄^-), фосфаты (такие как PF₆^-), имиды (включая бис(трифторметилсульфонил)имиды), анионы минеральных солей (включая карбонат, нитрат, нитрид, сульфат, сульфит), сульфонаты (такие как алкилсульфонаты, тозилат и метансульфонат), карбоксилаты, комплексные неорганические анионы (такие как [Al₂Cl₂]^-) и металлорганические анионы.

[0113] В определенных вариантах осуществления, состояние валентности ионных частиц может изменяться, что, в свою очередь, может влиять на оптические свойства и/или структурную стабильность фотонной структуры. Например, состояние валентности можно контролировать посредством контроля pH, концентрации, температуры, присутствия окислительно-восстановительных агентов и/или присутствия координирующих частиц.

[0114] В определенных вариантах осуществления, количество и тип координационных лигандов может влиять на оптические свойства и/или на структурную стабильность фотонной структуры.

[0115] В определенных вариантах осуществления, ионные частицы являются растворимыми в материале матрицы и/или предшественника матрицы. В определенных вариантах осуществления, ионные частиц диспергируются в материале матрицы и/или предшественника матрицы. В определенных вариантах осуществления, ионная частица представляет собой анионную частицу. В определенных вариантах осуществления, ионная частица представляет собой катионную частицу.

[0116] В определенных вариантах осуществления, ионная частица представляет собой соль металла. В определенных вариантах осуществления, соль металла представляет собой соль переходного металла. В определенных вариантах осуществления, соль переходного металла представляет собой соль никеля. В определенных вариантах осуществления, соль переходного металла представляет собой соль меди. В определенных вариантах осуществления, соль переходного металла представляет собой соль кобальта. В определенных вариантах осуществления соль переходного металла представляет собой соль марганца. В определенных вариантах осуществления, соль металла представляет собой соль магния.

[0117] В определенных вариантах осуществления, противоион представляет собой любые простые или комплексные анионные частицы. В определенных вариантах осуществления, противоион представляет собой нитрат. В определенных вариантах осуществления, противоион представляет собой сульфат. В определенных вариантах осуществления, противоион представляет собой хлорид. В определенных вариантах осуществления, противоион представляет собой карбонат.

[0118] В определенных вариантах осуществления, ионные частицы представляет собой соль щелочного или щелочноземельного металла (например, LiCl, NaCl, KCl, BeCl₂, Be(NO₃)₂, CaSO₄, MgCl₂, Mg(NO₃)₂, MgCO₃, MgSO₄, CaSO₄, Ca(NO₃)₂, CaCl₂, CaCO₃, CaSO₄).

[0119] В определенных вариантах осуществления, соль переходного металла представляет собой Co(NO₃)₂). В определенных вариантах осуществления, соль переходного металла представляет собой Cu(NO₃)₂. В определенных вариантах осуществления, соль переходного металла представляет собой NiSO₄. В определенных вариантах осуществления, соль переходного металла представляет собой MnCl₂. В определенных вариантах осуществления, соль переходного металла представляет собой MnSO₄. В определенных вариантах осуществления, соль переходного металла представляет собой CoCl₂. В определенных вариантах осуществления, соль переходного металла представляет собой Fe(NO₃)₃. В определенных вариантах осуществления, соль переходного металла представляет собой CuSO₄. В определенных вариантах осуществления, соль металла представляет собой MgSO₄.

[0120] В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц выбирается, чтобы она соответствовала объему получаемых в результате частиц в продукте, которая должна быть меньше, чем объем, занятый коллоидами (включая их лиганды). В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 0 и 3,3 мМ. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 0 и 1,3 мМ. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 0,64 мМ и 3,3 мМ. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 0,64 мМ и 1,3 мМ. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице составляет больше, чем 0,64 мМ. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице составляет меньше, чем 3,3 мМ. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице составляет меньше, чем 1,3 мМ.

[0121] В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовом продукте находится в пределах между 0 и 100 мол.%, где мол.% относится к доле молекулярных единиц в целом в готовом продукте (то есть, готовый продукт упоминается как сочетание ионных частиц и повторяющихся молекулярных единиц материала матрицы) готовой твердой матрицы относительно предшественника компонента матрицы. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 0 и 50 мол.% относительно повторяющихся молекулярных единиц предшественника компонента матрицы в готовой твердой матрице. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 0 и 20 мол.% относительно повторяющихся молекулярных единиц предшественника компонента матрицы в готовой твердой матрице. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 0 и 10 мол.% относительно повторяющихся молекулярных единиц предшественника компонента матрицы в готовой твердой матрице. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 0,1 и 100 мол.% относительно повторяющихся молекулярных единиц предшественника компонента матрицы в готовой твердой матрице. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 1 и 50 мол.% относительно повторяющихся молекулярных единиц предшественника компонента матрицы в готовой твердой матрице. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 5 и 20 мол.% относительно повторяющихся молекулярных единиц предшественника компонента матрицы в готовой твердой матрице. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 10 и 100 мол.% относительно повторяющихся молекулярных единиц предшественника компонента матрицы в готовой твердой матрице. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 10 и 50 мол.% относительно повторяющихся молекулярных единиц предшественника компонента матрицы в готовой твердой матрице. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 10 и 20 мол.% относительно повторяющихся молекулярных единиц предшественника компонента матрицы в готовой твердой матрице. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц составляет 10 мол.% относительно повторяющихся молекулярных единиц предшественника компонента матрицы в готовой твердой матрице. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц составляет 20 мол.% относительно повторяющихся молекулярных единиц предшественника компонента матрицы в готовой твердой матрице. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц составляет 50 мол.% относительно повторяющихся молекулярных единиц предшественника компонента матрицы в готовой твердой матрице. В определенных вариантах осуществления, концентрация ионных частиц в готовой твердой матрице находится в пределах между 50 и 100 мол.%, где мол.% относится к доле молекулярных единиц в целом в готовом продукте (то есть, готовый продукт упоминается как сочетание ионных частиц и повторяющихся молекулярных единиц материала матрицы).

[0122] В определенных вариантах осуществления, ионные частицы могут однородно распределяться в матрице. В определенных вариантах осуществления, ионные частицы могут преципитировать во время приготовления и могут оставаться в матрице фотонной структуры как преципитаты. Преципитаты могут иметь размеры в пределах от долей нанометра до 50 нм. Некоторые иллюстративные преципитаты включают оксиды металлов, ионные преципитаты, металлы, полимеры, супрамолекулярные преципитаты и их смеси.

[0123] В определенных вариантах осуществления, в матрицу может включаться никель. В определенных вариантах осуществления, в матрицу может включаться марганец. В определенных вариантах осуществления, в матрицу может включаться кобальт. В определенных вариантах осуществления, в матрицу может включаться медь. В определенных вариантах осуществления, в матрицу может включаться магний.

[0124] В определенных вариантах осуществления, ионные частицы, такие как соли переходных металлов, могут быть каталитическими. В определенных вариантах осуществления, каталитический компонент может катализировать такие реакции как реакции связывания, активации C-H связей, реакции вставки, разложения, окислительно-восстановительные реакции, реакции гидрирования/дегидрирования и реакции полимеризации/ деполимеризации.

[0125] В определенных вариантах осуществления, ионные частицы, введенные в матрицу, такие как соли переходных металлов, могут осуществлять дополнительные структурные и композиционные модификации матрицы и коллоидной сборки. Примеры таких процессов могут включать скорость и степень преобразования коллоидов (например, удаление коллоидов посредством преобразования в CO₂), скорость и степень преобразования предшественника матрицы с переходом золь-гель и преципитацию определенных химических частиц.

5. Дополнительные компоненты

[0126] В определенных вариантах осуществления, в фотонные структуры могут вводиться дополнительные компоненты, такие как широкополосные поглотители, селективные поглотители, светоизлучающие частицы, компоненты, чувствительные к свету, теплу, влажности, кислороду и/или другим химикалиям.

[0127] В определенных вариантах осуществления, способ включает дополнительные компоненты для очистки и насыщения цвета. В определенных вариантах осуществления, дополнительный компонент представляет собой поглощающий компонент. В определенных вариантах осуществления, поглощающий компонент представляет собой широкополосный поглотитель. В определенных вариантах осуществления, поглощающий компонент представляет собой селективный поглотитель. В определенных вариантах осуществления, поглощающий компонент может вводиться в матрицу и/или в коллоидные частицы.

6. Способ получения фотонных структур

[0128] В определенных вариантах осуществления, способ получения фотонной структуры показан на Фигуре 1H. Как показано, 110, на Фигуре 1H, коллоидные частицы (например, полимерные коллоиды), предшественник материала матрицы (например, предшественник на основе оксида металла) и ионные частицы (например, предшественники на основе переходных металлов, растворимые в материале матрицы или в предшественнике материала матрицы) объединяются (например, в жидкости) с образованием смеси.

[0129] Как показано, 120, на Фигуре 1D, в определенных вариантах осуществления, самосборка коллоидных частиц, и отверждение предшественника компонентов матрицы дает в результате образование фотонной структуры.

[0130] В определенных вариантах осуществления, дополнительные компоненты объединяются, 110.

[0131] В определенных вариантах осуществления, жидкость является водной или органической. В определенных вариантах осуществления, жидкость представляет собой воду.

[0132] В определенных вариантах осуществления, способ получения фотонной структуры объединяет коллоидные частицы (например, полимерные коллоиды) и ионные частицы (например, соли переходных металлов) и не включает использования предшественника матрицы.

[0133] В определенных вариантах осуществления фотонная структура получается самосборкой на подложке. В определенных вариантах осуществления подложка, на которой имеет место самосборка, может быть плоской или искривленной. В определенных вариантах осуществления подложка для самосборка может содержать дополнительные топографические особенности, такие как углубления и выступы, облегчающие формирование фотонных структур в конкретных формах. Топографические особенности могут иметь субмикрометровые и/или большие размеры.

[0134] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура получается самосборкой в ограниченных объемах. В определенных вариантах осуществления, фотонную структуру получают самосборкой в капле. В определенных вариантах осуществления, фотонную структуру получают самосборкой в ограниченной камере с получением форм подобных брускам.

[0135] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура может дополнительно обрабатываться для удаления коллоидных частиц, оставляя после этого только материал матрицы, содержащий ионные частицы и/или преципитаты. Способы обработки могут включать кальцинирование, растворение, травление, выпаривание, сублимацию, разделение фаз и их сочетания.

[0136] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура может дополнительно обрабатываться для удаления ионных частиц, оставляя после них коллоидную структуру и/или другой материал матрицы, не содержащий ионных частиц. Способы обработки могут включать кальцинирование, растворение, травление, выпаривание, сублимацию и их сочетания.

[0137] В целом сложность взаимодействий между частицами при самосборке значительно выше в случае подхода с совместной сборкой по сравнению со ступенчатым способом, делая разработку подхода с совместной сборкой более сложной. Преимущества нахождения решений, совместимых с подходом совместной сборки, существенно выше, поскольку они делают возможным более широкий диапазон возможных структур и могут уменьшить количество стадий синтеза.

7. Упорядочение фотонных структур

[0138] В определенных вариантах осуществления, контроль типа, количества и/или состояний валентности ионных частиц может приводить к различиям в упорядоченности фотонных структур на основе коллоидов. В определенных вариантах осуществления тип, количество и/или состояния валентности ионных частиц могут влиять на кристалличность фотонной структуры.

[0139] В определенных вариантах осуществления, изменение типа ионных частиц, введенных в фотонную структуру, может изменить упорядоченность фотонного кристалла от хорошо упорядоченной системы (например, монокристаллической) до неупорядоченной системы (например, стеклообразной).

[0140] В определенных вариантах осуществления, изменение состояния валентности ионных частиц, введенных в фотонную структуру, может изменить упорядоченность фотонного кристалла от хорошо упорядоченной системы (например, монокристаллической) до неупорядоченной системы (например, стеклообразной).

[0141] В определенных вариантах осуществления, изменение количества ионных частиц, введенных в фотонную структуру, может изменить упорядоченность фотонного кристалла от хорошо упорядоченной системы (например, монокристаллической) до неупорядоченной системы (например, стеклообразной). В определенных вариантах осуществления, фотонная структура становится менее кристаллической при повышении концентраций ионных частиц.

[0142] В определенных вариантах осуществления контроль характера (например, размера, заряда, полярности, специфического сродства и концентрации) поверхностных функциональных групп на коллоидных частицах может приводить к различиям в упорядоченности фотонных структур.

[0143] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является монокристаллической.

[0144] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является поликристаллической.

[0145] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является стеклообразной.

8. Оптические свойства

[0146] В дополнение к получению возможности контроля степени порядка, можно контролировать спектроскопические свойства (например, внешний вид в видимом свете) фотонной структуры.

[0147] В определенных вариантах осуществления, введение ионных частиц и/или их преципитатов может приводить к различию в оптических свойствах. Например, из-за изменений в упорядоченности фотонной структуры можно получать сильно иридирующий цвет (то есть, монокристаллическую фотонную структуру) - неиридирующий однородный цвет (то есть, стеклообразную фотонную структуру).

[0148] В определенных вариантах осуществления ионные частицы могут вносить дополнительные оптические эффекты, присущие ионам, такие как поглощение, испускание и их сочетания.

[0149] В определенных вариантах осуществления, изменение типа ионных частиц, введенных в фотонную структуру, может изменить оптические свойства фотонной структуры. Например, изменение ионных частиц от поглощающей соли, такой как соль кобальта, до непоглощающей соль, такой как соль магния, приводит к изменению упорядоченности/иридирования без введения компонента, поглощающего видимый свет.

[0150] В определенных вариантах осуществления, изменение состояния валентности ионных частиц, введенных в фотонную структуру, может изменять оптические свойства фотонной структуры. В определенных вариантах осуществления, состояние окисления соли переходного металла влияет на цвет фотонной структуры. В определенных вариантах осуществления, различные состояния окисления одного и того же металла (например, кобальта) могут давать в результате фотонные структуры разных цветов (например, голубые или красные). В определенных вариантах осуществления, различные состояния окисления одного и того же металла могут давать в результате фотонные структуры различных цветов, даже если упорядоченность фотонных структур одинаковая.

[0151] В определенных вариантах осуществления, изменение кристаллической структуры продуктов ионных частиц, введенных в фотонную структуру, может изменять оптические свойства фотонной структуры. В определенных вариантах осуществления, кристаллическая структура полученных в результате оксидов соли переходного металла влияет на цвет фотонной структуры. В определенных вариантах осуществления, различные кристаллические структуры одного и того же оксида металла (например, оксида кобальта) могут давать в результате фотонные структуры различных цветов (например, голубые или зеленовато-серые). В определенных вариантах осуществления, различные кристаллические структуры продуктов из одного и того же металла могут давать в результате фотонные структуры различных цветов, даже если упорядоченность является одинаковой.

[0152] В определенных вариантах осуществления, изменение количества ионных частиц, вводимых в фотонную структуру, может изменять оптические свойства фотонной структуры. Например, увеличение количества ионных частиц может приводить к повышению степени неупорядоченности, приводя к уменьшению иридисцентных оптических эффектов.

[0153] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является спектрально очищенной, то есть, нежелательные отражения селективно уменьшаются, в то время как целевые спектральные компоненты изменяются меньше. Например, введение тетраэдрических кобальтовых частиц в фотонные структуры подавляет зеленое, желтое и красное рассеяние, оставляя более чистое голубое отражение.

[0154] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура имеет насыщенный цвет, то есть, спектральные компоненты, вносящие вклад в добавление белого компонента в получаемый в результате цвет, подавляются.

[0155] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура спектрально модифицируется. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является иридисцентной. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура демонстрирует контролируемые зависящие от угла оптические свойства. В определенных вариантах осуществления, контролируемые зависящие от угла оптические свойства включают спектральные сдвиги. В определенных вариантах осуществления, контролируемые зависящие от угла оптические свойства включают дисперсию при отражении. В определенных вариантах осуществления, контролируемые зависящие от угла от угла оптические свойства включают глянцевитость. В определенных вариантах осуществления, контролируемые зависящие от угла от угла оптические свойства включают насыщенность. В определенных вариантах осуществления, контролируемые зависящие от угла от угла оптические свойства включают блескость. В определенных вариантах осуществления, контролируемые зависящие от угла от угла оптические свойства включают глянец. В определенных вариантах осуществления, контролируемые зависящие от угла от угла оптические свойства включают блеск.

9. Структурная стабильность

[0156] В определенных вариантах осуществления, контроль типа, количества, окислительных состояний и/или состояний валентности ионных частиц может приводить к различиям в упорядочении фотонных структур, что, в свою очередь, может приводить к контролю желаемой структурной стабильности. Например, монокристаллическая фотонная структура может быть более хрупкой по сравнению со стеклообразной фотонной структурой, при этом монокристаллическая структура имеет более высокую тенденцию к распространению трещин вдоль кристаллических плоскостей. В противоположность этому, стеклообразная фотонная структура не имеет хорошо определенных плоскостей расщепления, так что она может быть менее хрупкой, поскольку формирование трещин может потребовать дополнительных усилий.

[0157] В определенных вариантах осуществления, контроль типа, количества, окислительных состояний и/или состояний валентности ионных частиц может приводить к различию упорядочении фотонных структур, что, в свою очередь, может приводить к контролю желаемой температурной стабильности и/или свойства растворения. Например, кинетика растворения кристаллической структуры может быть анизотропной (то есть, растворение происходит с различными скоростями вдоль различных кристаллографических направлений) и происходить с различной скоростью по сравнению с поликристаллическими и аморфными структурами.

10. Применения

[0158] В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в качестве структурного пигмента. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в сенсорах. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной при катализе. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в каталитических носителях. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной при фотоактивном катализе. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в когерентно рассеивающих средах. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в излучателях света. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной при хаотической лазерной генерации. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в электромагнитных фильтрах. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в оптических применениях, таких как интеллектуальные дисплеи или другие электрохромные материалы. В определенных вариантах осуществления контроль оптических свойств и/или структурной стабильности делает коллоидную сборку полезной для приготовления косметических, фармацевтических и пищевых продуктов. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной при доставке лекарственных средств. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в жидкостных устройствах. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в тканевой инженерии. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в мембранах. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в средах носителях. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной при фильтровании. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной при сорбции/десорбции. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной как каталитическая среда или носитель. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в акустических устройствах. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной при накоплении энергии. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в батареях. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной в топливных элементах. В определенных вариантах осуществления, фотонная структура является полезной при изготовлении структур с рельефом.

Примеры

[0159] Следующие далее примеры дополнительно описывают и демонстрируют варианты осуществления в рамках настоящего изобретения. Примеры приводятся только для цели иллюстрации и не должны рассматриваться как ограничение настоящего изобретения, поскольку многие его варианты возможны без отклонения от духа и рамок настоящего изобретения.

Пример 1: Формирование фотонных микросфер с различными степенями неупорядоченности

[0160] Инвертированные опаловые микросферы из диоксида кремния и диоксида титана с контролируемой степенью неупорядоченности получают посредством способа совместной самосборки, описанного в настоящем документе, где смесь для совместной самосборки является ограниченной внутри капель эмульсии, генерируемых микрофлюидным устройством. Примерно 1% масс нанокристаллов оксида металла объединяют с PEG, каппированными карбоксилатом или сульфонатом полистирольными сферами (200-700 нм, ~1,5% масс) и с нитратом кобальта при различных концентрациях. Репрезентативные изображения SEM фотонных сфер из диоксида кремния при повышении концентрации добавленного нитрата кобальта (0 мМ, 0,1 мМ, и 0,2 мМ, слева направо) показаны на Фигурах 4A-4F. Масштабные линейки на изображениях в верхнем ряду соответствуют 5 мкм, и масштабные линейки в нижнем ряду соответствуют 1 мкм. Фигуры 4A и 4B соответствуют концентрации 0 мМ, Фигуры 4C и 4D соответствуют концентрации 0,1 мМ, и Фигуры 4E и 4F соответствуют концентрации 0,2 мМ.

Пример 2: Формирование инвертированных опаловых порошков

[0161] Тетраэтилортосиликат (TEOS) предварительно гидролизуют, добавляя 1000 мкл TEOS к смеси, содержащей 800 мкл метанола и 460 мкл воды, а затем 130 мкл концентрированной хлористоводородной кислоты.

[0162] 162 мкл PEG-стабилизированных 244 нм полистирольных коллоидов (PDI 5%) и 31,5 мкл предварительно гидролизированного раствора TEOS добавляют в стеклянный флакон, содержащий 10 мл деионизованной воды. Затем добавляют 5 или 10 мкл 1,28M раствора нитрата кобальта (или сульфата никеля, или нитрата меди) для получения концентрации 0,64 или 1,28 мМ (10 или 20 мол.% по отношению к кремнийсодержащими молекулярным единицам), соответственно.

[0163] Как показано на Фигурах 5A-C, инвертированные опаловые порошки, нагруженные повышающимися количествами кобальта (то есть, 0 мМ Co(NO₃)₂), 0,64 мМ Co(NO₃)₂) и 1,28 мМ Co(NO₃)₂)), дают в результате повышение насыщенности цвета образцов. Повышение насыщенности цвета подчеркивается улучшением видимости образцов на белом фоне.

[0164] Образец, содержащий 0,64 мМ Co(NO₃)₂) (то есть, кобальт составляет 10 мол.% по отношению к кремнийсодержащим молекулярным единицам), анализируют структурно и химически с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (TEM) и сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии - энергодисперсионной спектроскопии (STEM-EDS), элементная композиция приводится на Фигурах 5B и 5C. STEM-EDS показывает, что кобальт, кремний и кислород гомогенно распределяются в матрице.

[0165] Введение ионных частиц, таких как кобальт, никель, магний и медь, может давать в результате структуры/морфологии, демонстрирующие различные степени упорядоченности. Изображения SEM образцов, содержащих различные количества Co(NO₃)₂), NiSO₄ и Cu(NO₃)₂, показаны на Фигуре 6A и на Фигуре 7A. Фурье-изображения изображений SEM показаны на Фигуре 6B и на Фигуре 7B. Радиальные функции распределения (RDF), вычисленные на основе анализа изображений SEM, показаны на Фигуре 6C и на Фигуре 7C. Профиль RDF характеризует трансляционную симметрию системы. RDF со множеством осцилляций характеризует сильно упорядоченную/кристаллическую сборку, в то время как уменьшение степени упорядоченности/кристалличности коррелирует с осцилляциями, затухающими быстрее.

[0166] При изучении описания и вариантов осуществления, предлагаемых в настоящем документе, специалисты в данной области поймут, что модификации и эквивалентные замены могут осуществляться при осуществлении настоящего изобретения без отклонения от сущности изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не рассматривается как ограниченное вариантами осуществления, описанными выше в явном виде.

1. Способ формирования фотонной структуры, включающий:

объединение коллоидной частицы, предшественника материала матрицы с переходом золь-гель и ионных частиц в жидкости с образованием смеси, где ионные частицы диспергированы или солюбилизированы в предшественнике материала матрицы; и

преобразование смеси в твердое тело посредством гидролиза с образованием фотонной структуры, содержащей матрицу, которая содержит материал оксидной матрицы, окружающий указанную коллоидную частицу,

при этом указанную фотонную структуру формируют внутри капли, образованной эмульсией,

при этом указанные ионные частицы представляют собой:

a) соль переходного металла, при этом указанная соль переходного металла включает соль кобальта, соль никеля, соль меди, соль марганца или их смеси; или

b) соль щелочного или щелочноземельного металла, при этом указанная соль щелочного или щелочноземельного металла включает соль магния, LiCl, NaCl, KCl, BeCl₂, Be(NO₃)₂, CaSO₄, Ca(NO₃)₂, CaCl₂ или CaCO₃.

2. Способ по п. 1, в котором указанная матрица содержит указанные ионные частицы.

3. Способ по п. 1, в котором указанная матрица содержит преципитаты указанных ионных частиц.

4. Способ по п. 1, в котором указанная жидкость является водной или органической.

5. Способ по п. 1, в котором указанный предшественник материала матрицы включает оксид металла или смешанный оксид металла.

6. Способ по п. 5, где указанный оксид металла включает оксид кремния, оксид алюминия, оксид титана, оксид циркония или оксид церия.

7. Способ по п. 1, в котором указанный предшественник материала матрицы включает гидролизуемое соединение.

8. Способ по п. 7, в котором указанное гидролизуемое соединение включает тетраэтилортосиликат (TEOS).

9. Способ по п. 1, в котором указанная коллоидная частица включает полимерный коллоид, керамический коллоид, металлический коллоид, биополимерный коллоид или супрамолекулярный, полученный самосборкой коллоид.

10. Способ по п. 9, в котором указанная коллоидная частица включает полимерный коллоид.

11. Способ по п. 9, в котором указанный полимерный коллоид включает полистирольный или поли(метилметакрилатный) коллоид.

12. Способ по п. 1, в котором концентрация ионных частиц находится в пределах между 0,1 и 100 мол.% от указанного материала матрицы, окружающего указанную коллоидную частицу, где мол.% относится к молекулярному отношению ионных частиц и повторяющихся молекулярных единиц материала матрицы.

13. Способ по п. 12, в котором концентрация ионных частиц находится в пределах между 1 и 50 мол.% от указанного материала матрицы, окружающего указанную коллоидную частицу.

14. Способ по п. 13, в котором концентрация ионных частиц находится в пределах между 5 и 20 мол.% от указанного материала матрицы, окружающего указанную коллоидную частицу.

15. Способ по п. 1, в котором указанная фотонная структура является монокристаллической.

16. Способ по п. 1, в котором указанная фотонная структура становится менее кристаллической при увеличении концентрации указанных ионных частиц.

17. Способ по п. 16, в котором указанная фотонная структура является поликристаллической.

18. Способ по п. 13, в котором указанная фотонная структура является стеклообразной.

19. Способ по п. 1, в котором указанная фотонная структура свободна от трещин.

20. Способ по п. 1, в котором размер капли находится в пределах между 0,1 мкм и 10 мм.

21. Способ по п. 20, в котором размер капли находится в пределах между 1 мкм и 10 мм.

22. Способ по п. 21, в котором размер капли находится в пределах между 1 мкм и 1 мм.

23. Способ по п. 1, в котором указанная фотонная структура является спектрально модифицированной, имеет насыщенный цвет, является иридисцентной или демонстрирует контролируемые зависящие от угла оптические свойства.

24. Способ по п. 23, в котором указанные контролируемые зависящие от угла оптические свойства включают спектральный сдвиг, дисперсию при отражении, глянцевитость, насыщенность, блескость, глянец или блеск.

25. Способ по п. 1, в котором указанная соль переходного металла включает нитрат кобальта, сульфат никеля, нитрат меди или их смеси.

26. Способ по п. 1, в котором указанная соль магния включает сульфат магния.

27. Способ по п. 1, в котором указанная фотонная структура является полезной при катализе.

28. Фотонная структура, содержащая:

первый компонент и

компонент оксидной матрицы;

где указанный компонент оксидной матрицы содержит диспергированные или солюбилизированные ионные частицы,

при этом указанная фотонная структура представляет собой микросферу,

при этом указанные ионные частицы представляют собой:

a) соль переходного металла, при этом указанная соль переходного металла включает соль кобальта, соль никеля, соль меди, соль марганца или их смеси; или

b) соль щелочного или щелочноземельного металла, при этом указанная соль щелочного или щелочноземельного металла включает соль магния, LiCl, NaCl, KCl, BeCl₂, Be(NO₃)₂, CaSO₄, Ca(NO₃)₂, CaCl₂ или CaCO₃.

29. Фотонная структура по п. 28, где указанный первый компонент представляет собой газ.

30. Фотонная структура по п. 28, где указанный первый компонент представляет собой коллоидную частицу.

31. Фотонная структура по п. 30, где указанная коллоидная частица включает полимерный коллоид, керамический коллоид, металлический коллоид, биополимерный коллоид или супрамолекулярный, полученный самосборкой коллоид.

32. Фотонная структура по п. 30, где указанная коллоидная частица включает полимерный коллоид.

33. Фотонная структура по п. 32, где указанный полимерный коллоид включает полистирольный или поли(метилметакрилатный) коллоид.

34. Фотонная структура по п. 28, где концентрация указанных ионных частиц находится в пределах между 0,1 и 100 мол.% от указанного компонента матрицы.

35. Фотонная структура по п. 34, где концентрация указанных ионных частиц находится в пределах между 1 и 50 мол.% от указанного компонента матрицы.

36. Фотонная структура по п. 35, где концентрация указанных ионных частиц находится в пределах между 5 и 20 мол.% от указанного компонента матрицы.

37. Фотонная структура по п. 28, где указанная фотонная структура является монокристаллической.

38. Фотонная структура по п. 28, где указанная фотонная структура является поликристаллической.

39. Фотонная структура по п. 28, где указанная фотонная структура является стеклообразной.

40. Фотонная структура по п. 28, где указанная фотонная структура свободна от трещин.

41. Фотонная структура по п. 28, где указанная фотонная структура является спектрально модифицированной, имеет насыщенный цвет, является иридисцентной или демонстрирует контролируемые зависящие от угла оптические свойства.

42. Фотонная структура по п. 41, где указанные контролируемые зависящие от угла оптические свойства включают спектральный сдвиг, дисперсию при отражении, глянцевитость, насыщенность, блескость, глянец или блеск.

43. Фотонная структура по п. 28, где указанный компонент матрицы дополнительно включает оксид металла или смешанный оксид металла.

44. Фотонная структура по п. 43, где указанный оксид металла включает оксид кремния, оксид алюминия, оксид титана, оксид циркония или оксид церия.

45. Фотонная структура по п. 43, где указанный оксид металла включает гидролизуемое соединение.

46. Фотонная структура по п. 45, где указанное гидролизуемое соединение включает тетраэтилортосиликат (TEOS).

47. Фотонная структура по п. 28, где указанная соль переходного металла включает нитрат кобальта, сульфат никеля, нитрат меди или их смеси.

48. Фотонная структура по п. 28, где указанная соль магния включает сульфат магния.

49. Фотонная структура по п. 28, где указанная фотонная структура является полезной в структурных пигментах, электромагнитных фильтрах, сенсорах, при фотоактивном катализе, в когерентно рассеивающих средах, излучателях света, при хаотической лазерной генерации или в других оптических применениях, таких как интеллектуальные дисплеи или другие электрохромные материалы.

50. Фотонная структура по п. 28, где указанная фотонная структура является полезной при приготовлении косметических, фармацевтических и пищевых продуктов.

51. Фотонная структура по п. 28, где указанная фотонная структура является полезной при доставке лекарственных средств, в жидкостных устройствах, тканевой инженерии, в мембранах, при фильтровании, сорбции/десорбции или в иммобилизирующем носителе.

52. Фотонная структура по п. 28, где указанная фотонная структура является полезной в качестве каталитической среды или носителя.

53. Фотонная структура по п. 28, где указанная фотонная структура является полезной при накоплении энергии, в батареях или топливных элементах.

54. Фотонная структура по п. 28, где указанная фотонная структура является полезной в акустических устройствах.

55. Фотонная структура по п. 28, где указанная фотонная структура является полезной при изготовлении структур с рельефом.