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北化大魏杰教授团队:构建磁-光实时响应多色Janus微球用于防伪材料
2021-03-04  来源:betway88w投注网

  Janus结构材料由于其物理和化betway88w投注性质的显著差异在功能性材料领域受到越来越广泛的关注。结合光子晶体的结构色和上转换荧光色,构建具有多重响应型的Janus微球,可在防伪材料、显示材料和传感器等方面具有应用前景。


  北京大betway88w投注材料科betway88w投注与工程betway88w投注院魏杰教授团队通过自组装法制备了具有磁-光响应特性的多色Janus微球(图1)。该微球可在磁场变化下发生翻转,同时在近红外光照射下产生上转换荧光。将Janus微球填充于特定模板,利用磁响应,可以实现结构色的显示与消失,而在光响应下,发射不同颜色的上转换荧光,成功扩展了其在图案显示、响应材料和防伪方面的应用。


图1. Janus微球组装过程示意图。


  Janus微球的组装过程是利用组装基板的疏水性与前驱体溶液的亲水性差异实现组装(图1)。作者首先在玻璃基板表面旋涂一层PDMS,使基板呈现疏水性。随后将含有胶体粒子、Fe3O4纳米粒子以及上转换纳米粒子的前驱体滴加在基板表面。由于界面亲疏水性的差异,液滴会呈现出球状结构。在自组装过程中,密度较大的Fe3O4纳米粒子会沉降在底部,胶体粒子会形成光子晶体,而上转换纳米粒子由于其较小的粒径,会分散在得到的Janus微球当中。


图2. (a)核壳结构上转换纳米粒子制备过程,(b)上转换纳米粒子荧光光谱图,(c)上转换纳米粒子XRD谱图。


图3. (a)光子晶体面反射光谱图,(b)结构色CIE色度图,(c,d)光子晶体面扫描电镜图。


  作者将核壳结构上转换纳米粒子进行了亲水性处理,以实现与前驱体的其余组分进行混合分散(图2)。荧光光谱表明得到明显的三种上转换荧光色的纳米粒子,对应的晶型均符合标准谱图。不同粒径的胶体粒子组装得到不同结构色的光子晶体。如图3所示,202、239和270nm粒径的胶体粒子通过自组装,呈现出蓝色、绿色和红色结构色。扫描电镜图也显示光子晶体呈现面心立方堆积。


图4. (a)动态点阵图案显示示意图,(b)动态点阵变化实物图。


  作者将不同结构色的Janus微球填充于定制的PMMA模板当中,通过外界磁响应,所有的微球发生翻转,使黑色磁性面朝上。同时,由于微球当中包含上转换纳米粒子,在近红外照射下会产生不同的荧光色,从而使点阵图案发生动态变化。


图5. (a)动态数字图案变化示意图,(b)动态数字图案实物图。


  作者进一步将Janus微球按特定顺序排列,呈现一个“2019”结构色显示的数字图案。随后,利用磁铁将部分Janus微球翻转,从而使数字图案消失。当近红外光照射该区域,会产生绿色的上转换荧光,呈现出“2020”荧光数字图案(图5)。结构色和荧光色从实物照片中均可明显识读,表明Janus微球可以应用于显示或者防伪材料。


  综上,该研究提出利用组装界面亲疏水性的差异,通过自组装法得到具有磁-光响应的多色Janus微球。Janus微球可以在外界磁场下发生翻转,同时在近红外光照射下产生上转换荧光,对于在图案显示、响应材料和防伪等领域具有启发作用。


  该论文发表在《Journal of Colloid and Interface Science》,题为“Fabrication of multicolor Janus microbeads based on photonic crystals and upconversion nanoparticles”,论文第一作者为北京大betway88w投注博士研究生张寒冰魏杰教授为通讯作者。该研究工作得到国家自然科betway88w投注基金(51873009)和北京自然科betway88w投注基金(2192042)资助。


  原文链接:https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.02.068

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