“师法自然”以微纳粒子为结构单元自组装形成具有先进的光学、电学、力学等多功能材料是当今研究重点之一。其中，亚微米胶体粒子自组装，对有序微结构以构建光子晶体在面向微纳结构设计与制造具有重要的意义。然而，胶体粒子自组装过程复杂，控制难度高，导致组装效率低，有序性差等，成为阻碍其发展的瓶颈。因此，如何精确控制组装过程，实现胶体粒子快速有效自组装，是今国际光子晶体领域极具挑战性的课题之一。

针对上述科学问题，材料化学工程国家重点实验室、化工学院陈苏教授、武观副教授与南京理工大学的肖继军教授合作，在国家自然科学重点基金及重点实验室基金的资助下，设计一种微流体组装新策略（微流体装置由南京捷纳思新材料有限公司提供），利用疏水力驱动自组装快速构建均一及多元化光子晶体的方法。不同于传统的方法中直接使用胶体粒子作为组装单元制备光子晶体，本工作中胶体粒子乳液首先在微流控装置中被切割成微液滴，随后以这些微液滴作为单元在挥发性氟油表面进行组装。比表面积的增加以及挥发性氟油的疏水力作用使得微液滴内部的胶体粒子快速自发形成有序结构。组装时间从600秒缩短到130秒，大大提高了组装效率。而且，表面活性剂的存在避免了微液滴之间的聚并。粒子的运动被限制在微液滴内部，这可以有效消除在溶剂挥发时粒子浓度差异导致的粒子从液滴中心向外围的游动，进而抑制咖啡环效应的产生。随后，针对传统方法构建微型图案化光子晶体复杂性高，可控性差等难题，使用不同尺寸的微液滴为组装单元，快速构建了具有核壳型结构的图案化光子晶体。当将直径为50 μm的小液滴和200 μm的大液滴作为组装单元放置于氟油表面后，油相的挥发性及疏水力作用导致小尺寸微液滴包围大尺寸微液滴，进而得到具有图案化结构的光子晶体。作者进一步通过耗散粒子动力学模拟微液滴的运动，发现模拟结果与实验结果相一致，证明了提出的基于微液滴组装带动的纳米尺寸颗粒的组装具有普适性。这种通过多尺寸微液滴组装的方式得到双带隙光子晶体的方法具有简单，易操作的优点，使其在光子晶体打印，防伪等领域具有潜在的应用价值。

该研究成果于近日发表在国际重要刊物《Chemical Engineering Journal》。“Rapid Visualized Hydrophobic-Force-Driving Self-Assembly towards Brilliant Photonic Crystals, 2020, DOI: 10.1016/j.cej.2020.127582”。南京工业大学田宇博士，朱志杰博士为共同第一作者。

图1. 微流控合成装置图（南京捷纳思新材料有限公司提供）。

图2. 疏水力驱动的胶体粒子微液滴自组装快速构建光子晶体示意图。(a) 微流控技术制备微液滴示意图；(b) 微液滴在氟油表面的组装；(c) 抑制咖啡换效应示意图；(d) 传统方法产生咖啡换效应示意图。

图3. (a, b)微液滴为组装单元得到光子晶体的组装过程及组装过程的光学图片；(c) 得到的光子晶体的SEM图；(d) 使用疏水力微液滴组装得到的光子晶体和(e)传统胶体粒子自组装得到个光子晶体边缘处动态反射光谱。

图4. (a)双尺寸微液滴疏水力组装构建图案化光子晶体制备过程的示意图；(b)双尺寸液滴运动情况光学图片；(c-e)使用不同粒径的胶体纳米颗粒构建的不同结构色图案形式的光子晶体。

图5. 使用相同尺寸的微液滴(a)和不同尺寸的微液滴(b)耗散粒子动力学模拟结果。使用不同尺寸的微滴得到的复合微滴(c)及其中轴处的微液滴尺寸分布图(d)。

图6. (a) 基于疏水力驱动的胶体粒子微液滴自组装光子晶体打印示意图；(b, c) 打印得到的光子晶体图案及其反射光谱。

此外，本团队还利用微流体组装方法，实现环境友好的双光信号碳点（CDs）功能化光子晶体（PC）的连续制备，其呈现出稳定的荧光、高度饱及角度不依赖的结构色特性。CDs与P(MMA-BA-MAA)胶体颗粒在微通道中的高效传质传热，确保了杂化微珠在微通道内的有效组装。基于微流体组装过程，成功解决了杂化微球低效的物理混合以及原材料（重金属量子点）的潜在毒性问题。构筑的CDs功能化PC混合微珠在光学显示、传感器、生物编码和抗反射涂层等领域具有广阔的应用前景（Ge Li, Su Chen* et al., Chemical Engineering Journal, 2020, DOI: 10.1016/j.cej.2020.126539）。

该课题得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、江苏省高校优势学科建设工程、材料化学工程国家重点实验室等基金的资助和支持。