Particle arrangements and optical changes induced by the water swelling of melanin-like polydopamine layers

渡邉 拓*; 前島 結衣*; 上田 祐生   ; 元川 竜平   ; 高畠 愛*; 武田 真一*; 不動寺 浩*; 岸川 圭希*; 桑折 道済*

Watanabe, Taku*; Maejima, Yui*; Ueda, Yuki; Motokawa, Ryuhei; Takabatake, Ai*; Takeda, Shinichi*; Fudoji, Hiroshi*; Kishikawa, Keiki*; Koori, Michinari*

メラニン粒子の集合構造、つまりメラニンポリドーパミン(PDA)層で被覆されたコロイド粒子は、鮮やかな構造色を作り出す。PDA層の厚さは粒子の配列や光学特性に影響を与えるが、その根本的なメカニズムについては議論が続いている。我々は、PDAの水膨潤特性が、溶液中でのこれらの粒子の分散と凝集を支配する重要な要因であることを実証した。乾燥状態と湿潤状態の詳細な比較から、PDA層は水分子を容易に吸収し、厚い層では著しい膨潤を引き起こすことが明らかになった。PDA層の膨潤は、粒子が水中で分散したままか、部分的に凝集したままかを決定し、最終的には水が蒸発した後の乾燥状態での粒子配列を制御した。これらの知見は、コロイド粒子の自己組織化に関する洞察を提供し、周期的な粒子秩序を調整する戦略を提供する。この特徴は、光学技術やセンシング技術における様々な応用にとって極めて重要である。

The assembled structures of melanin particles, i.e., colloidal particles coated with a melanin-like polydopamine (PDA) layer, create vivid structural colors. While the thickness of the PDA layer influences the particle arrangement and optical properties, the underlying mechanism has remained controversial. We demonstrate that the water swelling characteristics of PDA are crucial factors governing the dispersion and aggregation of these particles in solution. Detailed comparisons between dry and wet conditions revealed that the PDA layer readily absorbs water molecules, which leads to significant swelling in the thicker layers. The swelling of the PDA layers determined whether the particles remained dispersed or partially aggregated in the water, ultimately controlling the particle arrangement in the dry state once the water evaporated. These findings provide insights into the self-assembly of colloidal particles and offer a strategy for tuning the periodic particle order. This feature is pivotal for various applications in optical and sensing technologies.