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  Janus結(jié)構(gòu)材料由于其物理和化學(xué)性質(zhì)的顯著差異在功能性材料領(lǐng)域受到越來越廣泛的關(guān)注。結(jié)合光子晶體的結(jié)構(gòu)色和上轉(zhuǎn)換熒光色，構(gòu)建具有多重響應(yīng)型的Janus微球，可在防偽材料、顯示材料和傳感器等方面具有應(yīng)用前景。

  北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院魏杰教授團(tuán)隊(duì)通過自組裝法制備了具有磁-光響應(yīng)特性的多色Janus微球（圖1）。該微球可在磁場變化下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，同時在近紅外光照射下產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換熒光。將Janus微球填充于特定模板，利用磁響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色的顯示與消失，而在光響應(yīng)下，發(fā)射不同顏色的上轉(zhuǎn)換熒光，成功擴(kuò)展了其在圖案顯示、響應(yīng)材料和防偽方面的應(yīng)用。

圖1. Janus微球組裝過程示意圖。

  Janus微球的組裝過程是利用組裝基板的疏水性與前驅(qū)體溶液的親水性差異實(shí)現(xiàn)組裝（圖1）。作者首先在玻璃基板表面旋涂一層PDMS，使基板呈現(xiàn)疏水性。隨后將含有膠體粒子、Fe₃O₄納米粒子以及上轉(zhuǎn)換納米粒子的前驅(qū)體滴加在基板表面。由于界面親疏水性的差異，液滴會呈現(xiàn)出球狀結(jié)構(gòu)。在自組裝過程中，密度較大的Fe₃O₄納米粒子會沉降在底部，膠體粒子會形成光子晶體，而上轉(zhuǎn)換納米粒子由于其較小的粒徑，會分散在得到的Janus微球當(dāng)中。

圖2. （a）核殼結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)換納米粒子制備過程，（b）上轉(zhuǎn)換納米粒子熒光光譜圖，（c）上轉(zhuǎn)換納米粒子XRD譜圖。

圖3. （a）光子晶體面反射光譜圖,（b）結(jié)構(gòu)色CIE色度圖，（c，d）光子晶體面掃描電鏡圖。

  作者將核殼結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)換納米粒子進(jìn)行了親水性處理，以實(shí)現(xiàn)與前驅(qū)體的其余組分進(jìn)行混合分散（圖2）。熒光光譜表明得到明顯的三種上轉(zhuǎn)換熒光色的納米粒子，對應(yīng)的晶型均符合標(biāo)準(zhǔn)譜圖。不同粒徑的膠體粒子組裝得到不同結(jié)構(gòu)色的光子晶體。如圖3所示，202、239和270nm粒徑的膠體粒子通過自組裝，呈現(xiàn)出藍(lán)色、綠色和紅色結(jié)構(gòu)色。掃描電鏡圖也顯示光子晶體呈現(xiàn)面心立方堆積。

圖4. （a）動態(tài)點(diǎn)陣圖案顯示示意圖,（b）動態(tài)點(diǎn)陣變化實(shí)物圖。

  作者將不同結(jié)構(gòu)色的Janus微球填充于定制的PMMA模板當(dāng)中，通過外界磁響應(yīng)，所有的微球發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使黑色磁性面朝上。同時，由于微球當(dāng)中包含上轉(zhuǎn)換納米粒子，在近紅外照射下會產(chǎn)生不同的熒光色，從而使點(diǎn)陣圖案發(fā)生動態(tài)變化。

圖5. （a）動態(tài)數(shù)字圖案變化示意圖,（b）動態(tài)數(shù)字圖案實(shí)物圖。

  作者進(jìn)一步將Janus微球按特定順序排列，呈現(xiàn)一個“2019”結(jié)構(gòu)色顯示的數(shù)字圖案。隨后，利用磁鐵將部分Janus微球翻轉(zhuǎn)，從而使數(shù)字圖案消失。當(dāng)近紅外光照射該區(qū)域，會產(chǎn)生綠色的上轉(zhuǎn)換熒光，呈現(xiàn)出“2020”熒光數(shù)字圖案（圖5）。結(jié)構(gòu)色和熒光色從實(shí)物照片中均可明顯識讀，表明Janus微球可以應(yīng)用于顯示或者防偽材料。

  綜上，該研究提出利用組裝界面親疏水性的差異，通過自組裝法得到具有磁-光響應(yīng)的多色Janus微球。Janus微球可以在外界磁場下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，同時在近紅外光照射下產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換熒光，對于在圖案顯示、響應(yīng)材料和防偽等領(lǐng)域具有啟發(fā)作用。

  該論文發(fā)表在《Journal of Colloid and Interface Science》，題為“Fabrication of multicolor Janus microbeads based on photonic crystals and upconversion nanoparticles”，論文第一作者為北京化工大學(xué)博士研究生張寒冰，魏杰教授為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金（51873009）和北京自然科學(xué)基金（2192042）資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.02.068