导读：

核壳结构光子微胶囊（PhMCs）相比均质光子晶体微球具有更丰富的结构色，应用价值更高。近期，北京交通大学崔秋红教授和闫君副教授等人结合微流控与可控蚀刻技术，成功制备出结构色可控的响应性PhMCs，其完全蚀刻产物可用于金属离子检测，部分蚀刻产物因具有三重禁带特性可实现光学防伪功能。相关研究以“A Bi-functionalized core-shell photonic microcapsules: Killing two “birds” with one controllably etched “stone””为题目，发表于期刊《Materials Today Chemistry》。

本文要点：

1、本研究结合微流控和可控蚀刻技术，成功制备出结构色可控的响应性PhMCs，并将其应用于金属离子检测和光学防伪领域。

2、微流控技术使PhMCs具有可控且均一的尺寸，可控蚀刻则让其外壳拥有可控的蛋白石/反蛋白石结构比例。

3、完全蚀刻的PhMCs被设计为金属离子检测器，通过结构色变化识别溶液中的金属离子。

4、部分蚀刻的PhMCs具有红/绿/黄三种结构色，首次基于两种材料制备出三重带隙PhMCs，通过调节透射/反射模式和温度实现三重信息切换，可用于光学防伪模型。

5、本研究为功能化PhMCs的构建提供新路径，进一步拓展了其潜在应用价值。

一、什么是结构色

结构色是由材料内部周期性排列的微纳结构（如光子晶体的蛋白石、反蛋白石结构）通过光的干涉、衍射或散射等物理作用，对特定波长的光进行选择性调控而产生的颜色，其核心原理是光子禁带效应：特定波长的光因周期性结构的布拉格衍射（λ=2ndsinθ，λ为反射光波长，n为有效折射率，d为晶面间距，θ为入射角）发生干涉相消，无法在材料中传播（形成“禁带”），从而呈现出与禁带波长对应的颜色。

与化学色素色相比，结构色具有稳定性高（耐光、耐氧化）、可响应外界刺激（如温度、离子浓度）、颜色可调等优势，在传感器、防伪、显示等领域应用广泛。

二、本研究中核壳结构光子微胶囊（PhMCs）的结构色可控性实现方式

本研究通过微流控技术与可控蚀刻技术的结合，实现了PhMCs结构色的精准调控，具体如下：

1、微流控技术调控基础结构色
利用水包油包水（W/O/W）微流控装置，通过调节三相流体（核层NIPAAm纳米凝胶、壳层ETPTA@SiO₂悬浮液、外层PVA溶液）的流速和质量分数，精准控制PhMCs的尺寸、壳层厚度及内部纳米颗粒的排列周期。

• 壳层中SiO₂纳米颗粒的质量分数决定了晶面间距，进而通过布拉格衍射调控反射波长（如610nm对应红色、522nm对应绿色）；

• 核层NIPAAm纳米凝胶的质量分数调整其自身结构色（如510nm对应绿色、444nm对应蓝色），最终使PhMCs呈现外红内绿、外绿内蓝等基础结构色。

2、可控蚀刻技术调控结构色多样性
通过HF溶液对PhMCs壳层进行部分或完全蚀刻，改变壳层的蛋白石/反蛋白石结构比例，进而调整有效折射率（n）和晶面间距（d）：

• 部分蚀刻：壳层形成蛋白石与反蛋白石混合结构，产生三个不同的禁带，首次基于两种材料实现红、绿、黄三重结构色；

• 完全蚀刻：壳层转变为连续多孔的反蛋白石结构，禁带波长偏移，可通过与金属离子的作用进一步改变结构色，实现响应性调控。

综上，微流控技术奠定了PhMCs结构与基础色的可控性，可控蚀刻则通过结构转化拓展了结构色的多样性和响应性，共同实现了结构色的精准调控。

方案1.（a）核壳结构PhMCs的微流控制备示意图；（b）PhMCs的可控蚀刻示意图。

图1.（a）微流控装置图像；（b）水包油包水（W/O/W）微流控装置内的相界面图像；（c）带流体的微流控装置示意图；（d）流体分析示意图（插图：PhMCs的光学显微镜图像，比例尺=40μm；白色箭头：P_Ⅰ、P_Ⅱ和P_Ⅲ的流动方向，黑色箭头：P_Ⅰ、P_Ⅱ和P_Ⅲ的流速变化）。

图2.（a）外红内绿PhMCs在反射模式下的光学显微镜图像（插图：a. PhMCs在透射模式下的光学显微镜图像；b. PhMCs在反射模式下的光学显微镜图像；c.核层NIPAAm纳米凝胶的对应图像）；（b）外绿内蓝PhMCs在反射模式下的光学显微镜图像（插图：a. PhMCs在透射模式下的光学显微镜图像；b. PhMCs在反射模式下的光学显微镜图像；c.核层NIPAAm纳米凝胶的对应图像；（c）外红内绿PhMCs的反射光谱；（d）外绿内蓝PhMCs的反射光谱；（e）PhMCs的扫描电镜图像；（f）PhMCs壳层的扫描电镜图像。

图3.（a）PhMCs可控蚀刻示意图；（b）部分蚀刻的外红内绿PhMCs在反射模式下的光学显微镜图像；（c）部分蚀刻的外红内绿PhMCs的对应反射光谱图；（d）完全蚀刻的外红内绿PhMCs在反射模式下的光学显微镜图像（插图：对应反射光谱图）；（e）部分蚀刻的外绿内蓝PhMCs在反射模式下的光学显微镜图（插图：对应反射光谱图）；（f）完全蚀刻的外绿内蓝PhMCs在反射模式下的光学显微镜图像（插图：对应反射光谱图）；（g）部分蚀刻的PhMCs壳层横截面的扫描电镜图像（插图：放大图像）；（h）完全蚀刻的PhMCs壳层横截面的扫描电镜图像（插图：放大图像）；（i）部分蚀刻和完全蚀刻的PhMCs的共聚焦激光扫描显微镜图像。

图4.（a）逐滴加入金属离子溶液后NIPAAm纳米凝胶的紫外-可见吸收光谱；（b）完全蚀刻的PhMCs的热重-差示扫描量热图；（c）基于完全蚀刻的PhMCs的金属离子初步检测器机理示意图；（d）完全蚀刻的光子微胶囊PhMCs在Cu²⁺溶液中的变化图；（e）完全蚀刻的PhMCs在Cu²⁺溶液中核层阴影直径随时间变化曲线。

图5.（a）NIPAAm纳米凝胶随温度升高的变化；（b）NIPAAm纳米凝胶的紫外-可见吸收光谱随温度升高的变化曲线；（c）基于部分蚀刻的PhMCs的光学防伪模型示意图；（d）封装在水凝胶膜中的未蚀刻和部分蚀刻的PhMCs在反射和透射模式下的光学显微镜图；（e）温度升高时，封装在水凝胶膜中的部分蚀刻的PhMCs在反射模式下的光学显微镜图；（f）部分蚀刻的PhMCs在水凝胶中的图案化实例。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2025.102588