隨著防偽技術的需求日益增長，色彩切換材料逐漸受到關注。動態變色材料可以用于提高防偽技術的復雜性和安全性。然而，現有材料通常僅響應單一刺激，且顏色變化模式較為單一，容易被模仿或破解。本研究受樹蛙啟發，科學家致開發了一種雙腔室復合微膠囊。通過靜電吸附和化學鍵合將納米膠囊附著于微膠囊表面，實現了對微膠囊表面微納米著色的精確調控。所制備的雙腔室微膠囊不僅具備全色譜、可逆變色的特性，還可應用于屏幕印刷防偽墨水。相關成果以 Environmentally responsive dual-compartment microcapsules with full spectrum color-changing performance for anti-counterfeiting applications 為題發表在 Matter 上期刊.

摘要圖雙腔室微膠囊(dual-compartment microcapsules, DCMs)的制備工藝示意圖

圖1熱致變色微膠囊(Thermochromic microcapsules,TCMs)的形貌、結構和熱穩定性
(A) TCMs的光學顯微鏡圖像；(B) TCMs的掃描電鏡(SEM)圖像；(C) TCMs的透射電鏡(TEM)圖像；(D)動態光散射(DLS)分析的粒徑分布；(E和F)熱重分析(TGA)和導數熱重(DTG)曲線顯示含熱致變色顏料的TCMs和對照樣品的熱分解特性。

圖2納米膠囊(Photochromic nanocapsules, PCNs)的形貌、結構和熱穩定性
(A) PCNs的SEM圖像；(B)放大的SEM圖像；(C) PCNs的TEM圖像；(D) DLS分析的粒徑分布；(E和F) TGA和DTG顯示光致變色染料的熱分解特性。

圖3微膠囊和納米膠囊的變色特性和機理
(A) TCMs在5°C到40°C之間的熱致變色過程；(B) TCMs的反射光譜隨溫度變化的情況；(C) TCMs在不同溫度下的CIE 1931色度圖；(D) PCNs在UV光和可見光下的變色圖像；(E) PCNs的反射光譜；(F) PCNs在不同光照條件下的CIE 1931色度圖；(G和H) SPNO2和DBTE的化學結構及變色特性；(I) TCMs和PCNs在重復循環刺激下的熱疲勞和光疲勞特性。

圖4雙腔室微膠囊(DCMs)的結構、顏色和變色特性
(A)不同比例PCNs的雙腔室微膠囊的結構示意圖和形貌；(B) DCMs的SEM圖像；(C)水相分散液中的DCMs隨PCNs含量變化的顏色；(D)不同刺激下的水相分散液變色；(E) DCMs在不同刺激下的反射光譜；(F) DCMs在CIE 1931色度圖中的分布。

圖5使用TCMs、PCNs和DCMs制作的印刷棉布的變色行為
(A)基于TCMs的棉布變色行為；(B)基于PCNs的棉布在UV照射下的變色行為；(C)基于DCMs的樹蛙圖案在多種刺激下的變色；(D)模式顏色生成機制示意圖；(E)基于DCMs的葡萄圖案在多種刺激下的季節顏色變化；(F) DCMs印刷棉布的反射光譜；(G) CIE 1931色度圖中的DCMs印刷布色彩分布；(H)印刷圖案在重復循環刺激下的熱疲勞和光疲勞特性。

圖6微膠囊在條形碼防偽領域的應用
(A)條形碼防偽應用示意圖；(B)不同DCMs的條形碼動態變色示意；(C)基于DCMs的印刷條形碼在不同刺激下的防偽性能。

圖7雙腔室微膠囊在動態二維碼信息加密中的應用
用DCMs打印的紙質二維碼在雙重刺激下顯示加密信息的照片示例。

本研究通過將熱致變色微膠囊（TCMs）與光致變色納米膠囊（PCNs）相結合，成功制備了具備多信號響應的環境刺激響應型雙腔室微膠囊（DCMs）。這些復合微膠囊通過正電荷納米膠囊與負電荷微膠囊表面之間的靜電吸附和化學鍵合作用制備而成。在紫外光和溫度刺激下，復合微膠囊覆蓋了整個色彩空間，并通過調控納米膠囊的數量，實現了藍、綠、黃等多種顏色的精確控制。此外，這些全色譜變色的復合微膠囊成功用于絲網印刷技術，將其作為墨水印刷到棉布上。所得圖案能夠在紫外光、熱以及pH值刺激下動態變色，同時還能產生熒光效果。測試表明，這些圖案的防偽特性具有動態變化的能力，從而顯著提升了安全設計的水平。因此，本文所開發的多語言動態響應型變色微膠囊展現出在防偽與加密應用中的巨大潛力，為下一代高安全性防偽標簽及信息加密提供了創新策略。

論文信息: Xu C, Shi X, Guo Y, et al.Environmentally responsive dual-compartment microcapsules with full spectrum color-changing performance for anti-counterfeiting applications. Matter, 2024. https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.11.019

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