Science Daily — 來自加州大學的奈米科學家們成功的利用一種懸浮在水中的極微小氧化鐵顆粒應用在高磁場中使其產生色澤的改變。他們的這個發現對於未來顯示螢幕的品質與體積具有高度開發的潛力。此外這項發現也可以應用在可重複書寫的電子紙張以及電磁變色油墨上。
圖1. Image shows the solution of iron oxide in water changing color under a magnetic field, with increasing strength of the field from left to right. (Credit: Yin laboratory, UCR.)
在他們的實驗中，研究人員發現藉著改變磁場的強弱可以使氧化鐵溶液的顏色發生改變 － 就像我們的電視螢幕可以調節顏色的變化一樣。
當磁場強度改變時，在溶液中的氧化鐵顆粒球面會產生排列，進而導致光線從當中穿透時產生轉向。
他們的研究成果將發表於由德國所發行的國際知名應用化學期刊 《Angewandte Chemie International Edition》上。這項研究將排定於 34 期的紙本上刊載。而且被 Angewandte Chemie 期刊視為 “相當重要的論文”，其研究成果屆時也將成為當期的期刊封面圖案。
「這個研究的關鍵步驟在於透過合成的手段來設計氧化鐵奈米粒子的結構，這個奈米粒子可以在磁場環境下自身組合成為三維的結晶結構。」Yadong Yin 這樣說到，他是帶領這個研究的化學教授。
所謂的奈米粒子其實就是一種相當微小的顆粒，這樣的顆粒其量測的尺度是在奈米（nanometer，也就是 1 x 10 的-9 次方）等級，簡單來說就是十億分之一公尺。（大頭針的頭大約有一百萬奈米寬。）
圖2. 微尺度下的應用舉例
所謂的膠體（colloid）它是一種帶有許多微小顆粒的物質，而且這種顆粒可以均勻的在另一種物質中分佈。像是牛奶、油漆以及血液都是膠體的例子。
「藉由光線的反射，這個結晶 － 有時也稱為光子晶體（photonic crystals） － 可以顯示出光彩奪目的色澤，」Yin 說到。「我們的第一個有關光子晶體的報告就是將從紫外線到紅外線當中所包含的可見光範圍內的電磁頻譜變成能加以調控。」
光子晶體可以調控光線（光子）流，使其成為因光線而運作的半導體。奈米顆粒間的空隙支配著於光子晶體中光線反射的波長。
圖3. 光子晶體原理圖－讓特定波長的光線通過
氧化鐵（分子式為 Fe3O4）奈米粒子具有「超順磁效應（superparamagnetic）」，亦即當外部磁場出現時它們才會表現出該有的磁性。相對的，「強磁性（ferromagnetic）」材料則會在磁場中被磁化，而且當磁場移除後依然能夠維持其磁性。
研究人員利用氧化鐵粒子所具備的超順磁性特質，同時靠著改變外部磁場來調整奈米粒子之間的空隙，使得光線反射時的波長 ─ 或膠體晶體的顏色 ─ 也受到調整而改變。
「其他與光子晶體的相關報告都只能夠反射單一波長的光線，」Yin 說到，「另一方面，我們的晶體對外加磁場的反應展現出了快速、廣泛、而且完全可逆的光學作用。」
由 Yin 及他的團隊所製備的這種光子物質對於新型的微機電機械系統（microelectromechanical systems）與反射式彩色顯示單元的製造會有所助益。因為它們可以應用在光纖、感應器與雷射等方面。
「對於組合式光子晶體以及藉由磁場來改變其空間的領域來說，這真是一種優美的方法，」Orlin Velev 說到，他北卡羅來納大學（North Carolina State University）化學與生物分子工程的副教授，不過他並沒有參與該研究。「透過一個簡單的磁場改變就能讓可見光譜的顏色出現變化。這對於各式各樣的光電元件來說，這真是太有發展潛力了。」
「而這項技術具有商業化的賣點則是，氧化鐵十分便宜、無毒而且可以大量取得，」Yin 說到。
Yin 解釋到利用這樣的技術可以用來生產與製造廉價的彩色顯示器，只要利用由光子晶體所構成的數百萬個小像素即可完成。「對於每個像素而言，不同顏色的產生均可透過磁場的調整來達成，」他說到。「優點是你只需要單一種物質 － 舉例來說，如氧化鐵這樣的光子晶體 － 便可製備所有的像素。此外，你不需要產生光給每個像素。只需要透過反射便可產生圖像 － 一種可重複的型態。」
Yin was joined in the research by UC Riverside's Jianping Ge, a postdoctoral researcher, and Yongxing Hu, a first-year graduate student in the Department of Chemistry.
圖4. UCR's Yongxing Hu, Jianping Ge and Yadong Yin of the Department of Chemistry. Image credit: Yin laboratory, UCR. (Additional image below.)
The UCR Office of Technology Commercialization has filed a patent application on the technology.
Note: This story has been adapted from a news release issued by University of California - Riverside.
原始報導：
1. ScienceDaily：A Simple Magnet Can Control The Color Of A Liquid, Making New Technologies Possible
2. UC NEWS：http://www.ucnewswire.org/news_viewer.cfm?story_PK=7096&
3. PHYSORG：http://www.physorg.com/news102689328.html
4. UC Riverside：http://www.newsroom.ucr.edu/cgi-bin/display.cgi?id=1628
5. 該研究的動畫影片