文章导读

两种不同类型的胶体光子粒子可以通过组装实现多功能化。本研究利用标准微流控技术制备了具有双重结构颜色和光子阻带的核-壳结构光子微胶囊。以光固化纳米二氧化硅树脂悬浮液为壳，以纳米凝胶的水悬浮液为核，通过调节相应悬浮液中二氧化硅纳米粒子和软纳米凝胶颗粒的浓度，可以实现对核-壳结构颜色的调节。当两种悬浮液浓度适宜时，单个微胶囊具有两种不同的光子禁带。值得注意的是，内核部分的结构颜色信息不能在宏观层面上直接观察 (如视觉检查)，但可以在微观尺度上检测 (如光学显微镜观察)。颜色信息隐藏使信息加密成为可能，在防伪、显示等领域具有潜在的关键应用。

研究过程与结果

首先，作者分别采用传统的沉淀聚合法和溶胶-凝胶法合成了不同粒径的单分散 pNIPAm-co-AAc 纳米凝胶和二氧化硅纳米颗粒。合成和纯化的二氧化硅颗粒进一步分散在可光固化的乙氧基化三甲基丙烷三丙烯酸酯树脂中。蒸发诱导的胶体自组装可以形成不同结构颜色的二氧化硅纳米颗粒的树脂分散体，该悬浮液为微流控装置的中间相。随后，作者将合成的凝胶粒子悬浮液进行可控溶液挥发，控制蒸发时间诱导以形成光子悬浮液，并以该悬浮液作为内相。标准微流体实验如图 1a 所示，其中 10% 的 PVA 水溶液作为外相。最后，作者将这三种液体注入到玻璃毛细管微流控-流体装置中以形成核壳型液滴。

从图 1b 可以看出，右侧水相 (外相) 流动产生的剪切力可以使二氧化硅悬浮液 (中间相) 包裹水凝胶颗粒悬浮液 (内相)，形成核-壳型液滴, 在培养皿中被紫外光固化形成结构稳定的光子微胶囊。通过调节内相、中相和外相的注入流速等简单参数，可以从微流控装置中生产出不同尺寸和壳层厚度的核-壳型光子微胶囊。

图 1. (a) 核-壳型光子微胶囊的微流控制备过程示意图；(b) 玻璃毛细管微流控装置内核-壳光子微液滴制造过程的光学显微镜照片。

作者制备了典型的单分散性的核-壳型光子微胶囊 (如图 2a, b 所示)。图 2b 为所得到的微胶囊的结构。

图 2. (a) 核-壳微胶囊的光学显微镜图像；(b) 光子微胶囊结构示意图；(c) 几种光子微胶囊的 SEM 图像；(d) 微胶囊内部结构和截面的扫描电镜图像；(e, f) 微胶囊内表面和横截面的放大的 SEM 照片。

作者通过两种不同悬浮液和结构颜色的组合制备了相应的核-壳光子微胶囊，如图 3 的光学显微镜照片所示。研究展示了三种不同颜色的典型组合：(a) 红色壳和绿色核；(b) 绿色壳和蓝色核；(c) 蓝色壳和绿色核。在光学显微镜的反射模式下可以看到明显的壳结构。图 3d~f 为三种结构颜色组合的反射光谱，这些光谱中存在两个特征峰，微胶囊 a 的最大反射峰分别在 540 和 632 nm 处，微胶囊 b 的最大反射峰分别在 474 和 572 nm 处，微胶囊 c 的最大反射峰分别在 444 和 525 nm 处，波长峰值与光子微胶囊外壳和内核的结构颜色对应良好。

图 3. (a~c) 三种结构颜色组合反射模式下光子微胶囊的光学显微镜图像：(a) 红壳/绿核；(b) 绿壳/蓝核；(c) 蓝壳/绿核；(d~f) 不同结构颜色组合对应光子微胶囊的反射光谱。

从图 4 可以看出，水凝胶膜的颜色肉眼可见，这是绿壳微胶囊的结构颜色，光子微胶囊排列紧密，处于稳定状态。当水凝胶薄膜置于光学显微镜下或用光纤光谱仪进行表征时，内核部分的颜色变得明显。

图 4. (a) 用肉眼观察到的薄膜示意图和反射光谱图；(b) 分散在聚丙烯酰胺水凝胶膜中的核-壳光子微胶囊的照片，所用的光子微胶囊的结构颜色组合为绿色壳/蓝色核；(c) 薄膜在反射模式下的光学显微镜图像；(d) 光纤光谱仪测量的薄膜反射光谱示意图。

研究结论

• 将软凝胶纳米颗粒封装在光固化树脂悬浮液 (含硬纳米颗粒) 制成的壳微球中形成核-壳结构，可实现双阻带等多功能化光学特性。此外，当微胶囊嵌入透明水凝胶基质中时，还可作为二次组装的结构单元，形成水凝胶光子薄膜。

• 微胶囊的颜色信息通过肉眼只能观察到外壳部分的颜色信息，在微观表征下可以同时检测到外壳和内核部分的颜色信息。

• 微胶囊在防伪技术和保密领域可能具有重要的潜在应用价值。

原文出自 Polymers 期刊：https://www.mdpi.com/2073-4360/14/19/3954

Zhou, C.; Zhang, S.; Hui, T.; Cui, Q.; Hu, Y. Microfluidics-Assisted Fabrication of Dual Stopband Photonic Microcapsules and Their Applications for Anticounterfeiting. Polymers 2022, 14, 3954.

Polymers 期刊介绍

主编：Alexander Böker, University of Potsdam, Germany

期刊主题涉及聚合物化学、聚合物分析与表征、高分子物理与理论、聚合物加工、聚合物应用、生物大分子、生物基和生物可降解聚合物、循环和绿色聚合物科学、聚合物胶体、聚合物膜和聚合物复合材料等研究领域。

2021 Impact Factor：4.967

2021 CiteScore：4.4

Time to First Decision：13 Days

Time to Publication：31 Days