这项研究的核心对象是胆甾相液晶（CLC）微胶囊。这类材料凭借温度依赖的结构色变化，在功能涂层、防伪和智能建筑等领域具有广泛的应用潜力。然而，当 CLC 被封装进聚合物壳层后，壳层的界面锚定效应虽然赋予了结构稳定性，也带来了两个长期存在的短板：颜色饱和度有限、热致变色响应速度慢。该团队在 CLC 中引入 MoS2 纳米片，仅以 0.5 wt% 的添加量，就同时缓解了这两个问题，并额外赋予了微胶囊近红外光控变色的能力。

微胶囊里的“两难”

要理解这项工作的价值，需要先理解 CLC 微胶囊面临的“两难”处境。CLC 的分子排列呈周期性螺旋结构，其螺距决定布拉格反射波长——螺距多长，就反射什么颜色的光。温度升高时，螺旋结构松展、螺距增大，反射波长红移，宏观上表现为颜色从紫/蓝向红渐变，最终变为透明。

然而，CLC 本质上是流体，分子之间仅靠弱弹性力维系自组装，极易受到外界干扰。研究者将 CLC 封装进聚合物壳层，制成核-壳微胶囊，壳层提供机械保护和空间限域，使 CLC 的螺距取向不再依赖观察角度，获得旋转无关的光子学特性。但这层保护壳也带来了副作用：壳-核界面的分子锚定效应阻碍液晶分子在热响应中的重排，导致变色变慢；同时，球形限域和界面缺陷也使结构色纯度下降。

此前，人们尝试在液晶中掺杂各种纳米材料来改善性能，但往往需要复杂的表面功能化，且通常只针对单一性能进行优化。能否找到一种不需要化学修饰、同时提升多项性能的掺杂策略？这就是本文试图回答的问题。

微流控“工厂”：精密制造双乳液微胶囊

研究团队采用同轴流动聚焦玻璃毛细管微流控器件，在一个流动聚焦结处同时注入三相流体：内相（MoS2 掺杂的 CLC）、中间相（光固化 PEGDA 水溶液）和外相（矿物油）。内相被中间相包裹，再被外相剪切断裂，形成油/水/油（O/W/O）双层乳液液滴；随后 UV 光照引发中间相 PEGDA 交联聚合，形成聚合物壳层。

图1 | 微流控制备双层乳液液滴。（a）毛细管微流控器件示意图。（b）NIR-TCMs 的刺激响应性能示意。（c）液滴生成模式的光学显微图像。（d, e）不同固定流量下的流型图。（f）所得 NIR-TCMs 的尺寸分布。（g）内径、外径和壳厚随三相流速的变化关系。

通过系统调节三相流速，团队实现了微胶囊直径在 75.4–275.0 μm、壳厚在 9.7–43.0 μm 范围内的宽范围可控制备。在选定的窄射流模式下，直径与壳厚的变异系数分别约为 3.40% 和 3.51%，表现出优异的单分散性。这套微流控平台为后续掺杂研究和性能优化提供了可靠的制备基础。

一张图看懂：MoS2 如何改变游戏规则

图2是该研究最直观的结果展示。在一排排微胶囊中，未掺杂的 CLC 微胶囊在升温过程中颜色变化平缓、色彩偏淡；掺入 MoS2 的微胶囊则呈现更鲜艳饱满的颜色，变色过程也更干脆利落。

图2 | 所构建微胶囊的热致变色性能。（a）不同 MoS2 掺杂浓度下 TCMs 的热致结构色变化。（b, c）0 wt% 和 0.5 wt% 掺杂 TCMs 在不同温度下的反射光谱。（d）DSC 热分析图谱及相变温度随掺杂浓度的变化。（e）0.5 wt% 掺杂 TCMs 的热致变色循环稳定性。

通过系统的差示扫描量热法（DSC）分析，研究团队揭示了 MoS2 掺杂对 CLC 相变温度的非单调调控规律。在低浓度（低于 0.1 wt%）时，均匀分散的 MoS2 纳米片通过 π-π 堆积和范德华力与 5CB 分子相互作用，充当锚定位点，增强液晶有序性，胆甾相-各向同性相转变温度（TC-I）升高，热灵敏度反而下降。当掺杂浓度处于 0.1–1.0 wt% 范围内时，MoS2 纳米片向体系引入各向同性组分，“稀释”液晶有序度，TC-I 降低，热灵敏度提升。其中 0.5 wt% 掺杂使 TC-I 降至最低，平均反射带移动速率从约 30 nm/0.1 °C 提升至约 40 nm/0.1 °C。当掺杂浓度超过 1.0 wt% 后，MoS2 明显聚集，TC-I 再次回升，性能恶化。

这一“先降后升”的趋势表明，0.5 wt% 是兼顾分散均匀性与综合性能的最优掺杂浓度。在该浓度下，微胶囊展现出稳定、完全可逆的热致变色循环性能（图2e），验证了掺杂策略的有效性和微胶囊的结构鲁棒性。
数字背后的双机制协同

如果说图2展示了“定性”的改善，那么图3则提供了“定量”的证据。研究团队对掺杂浓度与两个关键性能指标——颜色饱和度和响应时间——之间的关系进行了精细的表征。

图3 | 掺杂剂对 TCMs 光学饱和度与响应的调控。（a）不同掺杂浓度下 TCMs 的反射模式光学图像。（b）对应的反射光谱。（c）CIE 1931 色度坐标。（d）激发纯度随掺杂浓度的变化。（e）总响应时间和初始响应时间与掺杂浓度的关系。（f, g）0 wt% 和 0.5 wt% MoS2 掺杂 TCMs 在初始热转变阶段的光谱演化及对应光学图像。

颜色饱和度的提升源于 MoS2 的宽带吸收特性。MoS2 在可见光范围内具有广泛的吸收带，能有效抑制未被 CLC 选择性反射的杂散光和背景散射。简单来说，MoS2 充当“光学滤镜”，把不需要的光“吃掉”，让留存的结构色更纯净鲜艳。CIE 1931 色度分析表明，0.5 wt% 掺杂下激发纯度从 0.16 提升至 0.55，达到最大值。

响应时间的缩短则归因于分子层面和热传导层面的双重机制。分子层面，MoS2 降低了液晶的取向有序度（0.5 wt% 掺杂使相变熵变降低 9.3%），使液晶分子在热刺激下更容易发生结构重排。热传导层面，Hot Disk 热常数分析仪测量显示，0.5 wt% MoS2 掺杂使复合材料热导率从纯 CLC 的约 0.19 W/mK 提升至约 1.56 W/mK，约 8 倍。热的传导更快，液晶分子感受温度变化更及时，变色自然更快。

尤为有趣的是阶段性响应分析：MoS2 掺杂主要大幅缩短第一阶段的响应时间 t1（从 14.0 s 缩短至 3.6 s，即从开始加热到光谱峰首次可检测移动的时间），对后续阶段影响不大。这表明 MoS2 的作用是降低初始螺旋螺距变化的成核势垒，加速“启动”阶段；后期变色速度仍受限于聚合物壳层的空间限域和液晶分子集体重取向动力学，这些过程对少量纳米掺杂剂不敏感。

注：原文中的总响应时间定义为直接升温 28.1 → 29.6 °C 所需时间。

近红外光：一把无形的“遥控器”

除了作为光学增艳剂和热传导增强剂，MoS2 还扮演第三个角色——光热转换剂。MoS2 能通过非辐射弛豫将近红外光高效转化为热。在微胶囊内部，这部分热量直接作用于 CLC，引发螺距变化和颜色切换，实现非接触、远程可控的变色操控。

图4 | NIR-TCMs 的光热驱动与循环性能。（a）0 wt% 和 0.5 wt% MoS2 掺杂 CLC 的 TCMs 在 NIR 照射下的颜色变化。（b）0.5 wt% MoS2 掺杂 TCMs 在不同 NIR 辐照度和曝光时间下的 OM 图像。（c）0.5 wt% MoS2 掺杂 TCMs 的辐射曝光量及对应光谱。（d）0.5 wt% MoS2 掺杂 NIR-TCMs 的光热循环性能。

如图4a所示，在 808 nm 近红外光源（最大辐照度 1.802 W/cm²）照射下，未掺杂微胶囊没有颜色变化，而 0.5 wt% MoS2 掺杂微胶囊经历完整颜色循环：蓝 → 绿 → 红 → 透明。光照停止后，微胶囊自然冷却，颜色沿原路恢复。通过精确调控辐照度 E 和曝光时间 τ，即调控辐射曝光量 H = E × τ，可以实现对中间色态的定点控制：H = 7.8 J/cm² 时开始变色，33.2 J/cm² 时变为青色，65.7 J/cm² 时变为绿色，86.2 J/cm² 时变为红色，147.3 J/cm² 时变为透明。反射峰从初始 415.52 nm 逐步红移至 637.59 nm，最终完全消失。多次循环测试表明，器件性能一致，未出现明显衰减。
值得指出的是，当辐照度低于 0.030 W/cm² 时，热积累速率无法克服向环境的热耗散，微胶囊不发生颜色变化。这一阈值特性也为实际应用提供了低功率误触发的天然“安全窗口”。

从微胶囊到智能薄膜：看得见的“隐形信息”

微胶囊的最终价值在于集成到器件中。研究团队将微胶囊填充到由 3D 打印模板复型得到的柔性 PDMS 网格中，构建可弯折的热致变色薄膜器件。网格的不同区域分别填充未掺杂 CLC 和 MoS2 掺杂 CLC 的微胶囊，形成预定义的空间图案。

图5 | 填充 TCMs 的柔性 NIR 响应热致变色薄膜。（a）TCM 填充薄膜示意图。（b）薄膜弯折照片。（c）NIR 照射（808 nm, 1.802 W/cm²）触发的“2025”图案可逆出现与消失。（d）通过 MoS2 辅助光热转换实现的“8673”与“9517”图案可逆切换。

在室温下，所有填充区域都呈紫色，看起来没有任何差异。当 808 nm 近红外光照射时，MoS2 掺杂区域因局部光热效应而变色（反射峰红移至红外区，宏观上表现为颜色消退），未掺杂区域保持不变，从而“显影”出预设图案（如“2025”）。光照撤去后，掺杂区域恢复原色，图案重新“隐藏”。进一步地，通过在不同区域分别填充两种微胶囊，可实现两组图案的可逆切换（如“8673”与“9517”），由 NIR 光照射与否决定显示哪一组信息。

红外热成像证实，上述效果完全源于 MoS2 的局部光热转换：808 nm 照射 30 分钟内，掺杂区域与未掺杂区域的平均温差约 1.3 °C，足以驱动热致变色响应；纯 PDMS 基底和含未掺杂微胶囊区域的升温曲线几乎完全重合。这种基于微胶囊空间分布的图案化策略，配合柔性 PDMS 衬底的可弯折特性，使器件在可穿戴电子、智能包装和防伪标签等领域展现出应用潜力。

写在最后

这项工作的核心思路可以概括为：用一种无需化学修饰的纳米材料，通过分子层面和热传导层面的双重机制，同时提升 CLC 微胶囊的颜色饱和度与响应速度，并赋予近红外遥控能力。

从方法学角度看，有几点值得关注。其一，MoS2 纳米片通过液相超声剥离制备，无需表面功能化即可直接掺杂使用，与许多需要复杂化学修饰的纳米掺杂体系形成鲜明对比。其二，0.5 wt% 最优掺杂浓度的确立并非依赖单一表征手段，而是 DSC 热分析、静态/动态光谱学、热导率测量和光学显微术等多种方法一致指向的结论。其三，近红外响应具有明确的辐射曝光量阈值和可量化的色态-曝光量映射关系，为实际应用中的精确控制提供了参数基础。

当然，这项工作也有局限。论文指出，由于所用 MoS2 为多层纳米片、本征荧光极弱，研究团队无法获得纳米片在微胶囊内部纳米尺度的空间分布信息，对分散状态的评估主要依赖介观尺度的光学证据。这也是后续研究可以着力的方向。

论文链接：https://doi.org/10.1039/d6lc00283h

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