光子微颗粒在传感器、显示、编解码、颜料等工业领域应用广泛，微流控技术是精准制备光子微颗粒的核心平台，但现有产物多为单阻带，难以满足多功能化需求。

现有双阻带光子微结构存在角度依赖、结构色调控精度低的问题，且多数光子微胶囊抗应力性强、变形性差，水凝胶基双阻带微胶囊仅适用于水溶液等特定环境，限制了可穿戴电子等领域的应用。

鉴于此，北京交通大学胡远渡教授团队通过微流控核-壳双乳液模板法制备出全可变形双阻带光子微胶囊，该微胶囊核层为PNIPAM-co-AAC水凝胶颗粒、壳层为含二氧化硅颗粒的PEGPEA树脂悬浮液，不仅克服了角度依赖问题，还实现了结构色可调，兼具温度和机械刺激下的可逆响应特性，且力学性能稳定、光学质量可通过外相渗透压优化，有效解决了现有材料的应用局限。相关研究以“Fully Deformable Dual-Stopband Photonic Microcapsules via Microfluidic Core–Shell Emulsion Templates: Tunable Optical Properties and Mechanical Responsiveness”为题，发表于期刊《ACS Applied Polymer Materials》。

本文要点：

1、该研究以微流控核壳双乳液为模板，制备出全可变形双阻带光子微胶囊，解决了现有光子微胶囊变形性和物理刺激响应性有限的问题，为微传感器、应力可视化和自适应可穿戴设备提供了可规模化的制备方法。

2、将PNIPAM-co-AAC水凝胶颗粒水悬浮液作为核、二氧化硅颗粒的PEGPEA树脂悬浮液作为壳，利用微流控技术制备核壳液滴，经紫外光固化得到目标微胶囊；核壳均为可变形组分，赋予微胶囊全可变形特性，其结构色可通过调控颗粒直径和体积分数实现调谐，且呈现各向同性反射光谱，克服了角度依赖性。

3、实验中，研究人员实现了核壳结构色的精准调控，制备出六种核壳配色的双阻带微胶囊，还发现高渗外相能显著提升微胶囊的光学质量；该微胶囊兼具温度和力学响应性：核相水凝胶因LCST相转变呈现可逆温致变色，而在外力压缩下，壳相PEGPEA树脂变形引发二氧化硅颗粒间距改变，使微胶囊出现可逆的力致变色，且经15次压缩-释放循环仍表现出稳定响应，相比刚性壳层微胶囊，柔性PEGPEA壳层的微胶囊力学响应性更优异。

4、此外，研究还表征了微胶囊及原料的力学、流变学特性，明确了PEGPEA树脂的低模量、高延展性和水凝胶的温敏粘弹性是微胶囊全可变形的关键，同时阐释了颗粒组装方式、渗透压差等对微胶囊光学性能的影响机制。

图1. 微流控技术辅助制备全可变形双阻带光子微胶囊的示意图

图2. (a) 微流控装置制备双乳液液滴过程的显微照片；(b) 所制得双乳液液滴的显微照片；(c) 双乳液液滴外壳与内芯尺寸的统计分布；(d) 微胶囊的结构示意图；(e) 微胶囊表面的扫描电镜图像；(f) 微胶囊横截面的扫描电镜图像

图3. (a) 25 vol%下，由不同粒径二氧化硅颗粒制备的蓝、绿、红三色光子型PEGPEA树脂的反射光谱与实物照片；(b) 相同平均粒径的二氧化硅在不同体积分数下分散于PEGPEA树脂中制得的树脂悬浮液实物照片及对应反射光谱；(c) 冷冻干燥后PNIPAM-co-AAC凝胶颗粒的扫描电镜图像；(d) 由不同粒径凝胶颗粒制备的蓝、绿、红三色光子型PNIPAM-co-AAC凝胶分散液的反射光谱与实物照片；(e) 动态光散射法测得的三种颜色凝胶悬浮液对应凝胶颗粒的粒径分布曲线

图4. 以核、壳悬浮液的不同组合制备六种不同的双阻带微胶囊。六种组合的显微图像及对应反射光谱如下：(a) 红壳-绿核；(b) 红壳-蓝核；(c) 绿壳-蓝核；(d) 绿壳-红核；(e) 蓝壳-红核；(f) 蓝壳-绿核

图5. (a) 低渗PVA外相中氢键形成的示意图；(b_Ⅰ) 以10 wt% PVA水溶液为外相的微球显微图像；(b_Ⅱ) 以含16 wt%蔗糖和1.8 wt% PVA的水溶液为外相的微球显微图像；(c) 高渗蔗糖外相改善双乳液光学质量的原理示意图

图6. (a) 微胶囊受压发生变形、撤去挤压力后恢复原始形貌过程的显微照片；(b) 微胶囊发生变形直至破碎过程对应的力-位移曲线；(c) 15次压缩-释放循环过程中微胶囊内外径的变化曲线；(d) 含25 vol%二氧化硅的PEGPEA的应力-应变拉伸曲线；(e) PNIPAM-co-AAC凝胶的储能模量（G′）和损耗模量（G″）随温度的变化关系；(f) PNIPAM-co-AAC凝胶的损耗因子（tanδ）随温度的变化关系；(g) PNIPAM-co-AAC凝胶的黏度随温度的变化关系

图7. 微胶囊在压缩-恢复过程中的光学响应：(a) 不同变形程度下微胶囊的光学显微镜图像（比例尺：200μm）；(b) 微胶囊受压过程中的反射光谱；(c) 微胶囊卸压过程中的反射光谱；(d) 微胶囊壳层（黑色）和核层（红色）的反射波长随变形程度的变化规律（变形程度从0%增至30%，再从30%降至0%），误差棒代表五次重复测量的标准偏差

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsapm.5c04701

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