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  Janus結構材料由于其物理和化學性質的顯著差異在功能性材料領域受到越來越廣泛的關注。結合光子晶體的結構色和上轉換熒光色，構建具有多重響應型的Janus微球，可在防偽材料、顯示材料和傳感器等方面具有應用前景。

  北京化工大學材料科學與工程學院魏杰教授團隊通過自組裝法制備了具有磁-光響應特性的多色Janus微球（圖1）。該微球可在磁場變化下發生翻轉，同時在近紅外光照射下產生上轉換熒光。將Janus微球填充于特定模板，利用磁響應，可以實現結構色的顯示與消失，而在光響應下，發射不同顏色的上轉換熒光，成功擴展了其在圖案顯示、響應材料和防偽方面的應用。

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體溶液的親水性差異實現組裝（圖1）。作者首先在玻璃基板表面旋涂一層PDMS，使基板呈現疏水性。隨后將含有膠體粒子、Fe₃O₄納米粒子以及上轉換納米粒子的前驅體滴加在基板表面。由于界面親疏水性的差異，液滴會呈現出球狀結構。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，而上轉換納米粒子由于其較小的粒徑，會分散在得到的Janus微球當中。

圖2. （a）核殼結構上轉換納米粒子制備過程，（b）上轉換納米粒子熒光光譜圖，（c）上轉換納米粒子XRD譜圖。

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

  作者將核殼結構上轉換納米粒子進行了親水性處理，以實現與前驅體的其余組分進行混合分散（圖2）。熒光光譜表明得到明顯的三種上轉換熒光色的納米粒子，對應的晶型均符合標準譜圖。不同粒徑的膠體粒子組裝得到不同結構色的光子晶體。如圖3所示，202、239和270nm粒徑的膠體粒子通過自組裝，呈現出藍色、綠色和紅色結構色。掃描電鏡圖也顯示光子晶體呈現面心立方堆積。

圖4. （a）動態點陣圖案顯示示意圖,（b）動態點陣變化實物圖。

  作者將不同結構色的Janus微球填充于定制的PMMA模板當中，通過外界磁響應，所有的微球發生翻轉，使黑色磁性面朝上。同時，由于微球當中包含上轉換納米粒子，在近紅外照射下會產生不同的熒光色，從而使點陣圖案發生動態變化。

圖5. （a）動態數字圖案變化示意圖,（b）動態數字圖案實物圖。

  作者進一步將Janus微球按特定順序排列，呈現一個“2019”結構色顯示的數字圖案。隨后，利用磁鐵將部分Janus微球翻轉，從而使數字圖案消失。當近紅外光照射該區域，會產生綠色的上轉換熒光，呈現出“2020”熒光數字圖案（圖5）。結構色和熒光色從實物照片中均可明顯識讀，表明Janus微球可以應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-光響應的多色Janus微球。Janus微球可以在外界磁場下發生翻轉，同時在近紅外光照射下產生上轉換熒光，對于在圖案顯示、響應材料和防偽等領域具有啟發作用。

  該論文發表在《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基金（51873009）和北京自然科學基金（2192042）資助。

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