Research Abstract


Photonic water dynamically responsive to external stimuli

2016年8月30日 Nature Communications 7 : 12559 doi: 10.1038/ncomms12559


フォトニック構造体とは、可視光波長と同程度の周期構造を持つ材料であり、周期長に対応した波長の光を選択的に反射することで、鮮やかな構造色を呈する。もし、このようなナノ構造を流体中に構築できれば、環境の変化により瞬時に色を変える新材料となるであろう。実際、ある種の魚は、流動的な細胞質中にグアニン結晶シートを配列させたフォトニック構造体を持っており、シートの周期や角度を変えることにより体色を自在に制御している。今回我々は、負に帯電した酸化チタンナノシートの希薄な水分散液において、ナノシート間に働く静電反発力を極限まで高めることにより、ナノシートが巨大な間隔(最大675 nm)で平行配向した層構造を自発的に形成することを見出した。この「フォトニックウォーター」は鮮やかな構造色を呈し、ナノシート濃度を調整することにより、紫外領域(370 nm)から近赤外領域(1750 nm)まで反射波長を自在に制御できる。また、磁場印加によってナノシートは一軸配向し、単一ドメイン構造を形成するため、構造色はより鮮明になる。さらに、フォトニックウォーターは秩序性と流動性を兼ね備えており、外部環境の変化に応じて構造色を全可視光域にわたり自在に変えることができる。

Koki Sano, Youn Soo Kim, Yasuhiro Ishida, Yasuo Ebina, Takayoshi Sasaki, Takaaki Hikima and Takuzo Aida

Corresponding Authors

相田 卓三
理化学研究所 創発ソフトマター機能研究グループ

石田 康博
理化学研究所 創発ソフトマター機能研究グループ

Fluids that contain ordered nanostructures with periodic distances in the visible-wavelength range, anomalously exhibit structural colours that can be rapidly modulated by external stimuli. Indeed, some fish can dynamically change colour by modulating the periodic distance of crystalline guanine sheets cofacially oriented in their fluid cytoplasm. Here we report that a dilute aqueous colloidal dispersion of negatively charged titanate nanosheets exhibits structural colours. In this ‘photonic water’, the nanosheets spontaneously adopt a cofacial geometry with an ultralong periodic distance of up to 675 nm due to a strong electrostatic repulsion. Consequently, the photonic water can even reflect near-infrared light up to 1,750 nm. The structural colour becomes more vivid in a magnetic flux that induces monodomain structural ordering of the colloidal dispersion. The reflective colour of the photonic water can be modulated over the entire visible region in response to appropriate physical or chemical stimuli.