用于光学防伪的高度有序单层至多层可精确调控聚苯乙烯微球薄膜

《Droplet》：Highly ordered micro-sphere films with finely tunable mono- to multi-layer for optical anti-counterfeiting

本文开发了一种纤维液桥策略，可精确调控聚苯乙烯（PS）微球薄膜的层数（1-19层），实现了大面积、高度有序结构的制备。该薄膜具有角度依赖性结构色，在光学防伪和信息加密领域展现出巨大应用潜力。

　　

引言

高度有序的胶体微球结构因其光子带隙特性能够调控光传播行为，在光电设备中展现出重要应用价值。特别是聚苯乙烯（PS）微球有序薄膜，其尺寸和厚度依赖的光学特性在显示器、激光系统、防伪标签和传感器等领域具有广泛应用前景。然而，现有技术如刮涂、旋涂、浸涂和喷墨打印等方法，在精确控制薄膜厚度（即微球层数）方面仍面临挑战。因此，开发一种能够精确调控微球薄膜层数的简易溶液策略具有重要意义。

结果与讨论

研究团队开发了一种创新的纤维液桥策略，通过水平放置的尼龙纤维引导溶液在基底上形成均匀液膜。该方法的独特之处在于实现了液体转移与蒸发过程的动态平衡，从而可控地制备出高度有序的PS微球薄膜。实验采用直径分别为276 nm、235 nm和190 nm的PS微球，成功制备了从单层到19层的可调薄膜。

研究揭示了影响薄膜质量的关键参数：纤维移动速度（V）和溶液浓度（C）。当V处于50-100 μm s^{-1、C处于6-21 wt%的最佳范围内时，可获得高度有序的微球排列。通过协同调控这两个参数，实现了薄膜层数的精确控制。值得注意的是，该方法制备的薄膜面积可达70 cm2，且在柔性和刚性基底上均表现出良好性能。}

机理研究表明，液桥传输过程中存在多种作用力的动态平衡：纤维施加的前向牵引力（F₁）、弯月面形状引起的非对称拉普拉斯压力（F₂）以及基底粘附力（F₅）等。通过引入异丙醇二元溶剂混合物产生表面张力梯度，诱导Marangoni流动，进一步促进了微球的有序组装。

应用展示

利用不同层数和微球直径的PS薄膜具有角度依赖的结构色特性。在θ=0°时，多层薄膜呈现红、绿、蓝三原色，而单层薄膜颜色较浅且透明度超过92%。当观察角度增加至45°时，多层薄膜颜色变浅，单层薄膜颜色近乎消失。基于这一特性，研究团队设计了可编程的动态防伪编码，通过特定角度观察可实现信息的定向解码。例如，"1"标识在不同角度下可转换为"7"，"4"标识可转换为"0"，展示了在光学防伪领域的应用潜力。

结论

该研究发展的纤维液桥策略为制备层数可调的高度有序PS微球薄膜提供了简单有效的解决方案。通过精确控制动力学参数，实现了1-19层薄膜的可控制备。基于角度依赖的结构色调制特性，在光学防伪和信息加密方面展现出重要应用价值。

方法

研究采用乳液聚合法合成聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸）[poly(St-MMA-AA)]乳胶微球。通过精密控制的三轴运动平台调控纤维移动速度和方向，在室温条件下实现薄膜的可控制备。