专栏名称: 高分子科技

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武汉理工大学官建国教授团队 Small：实用防伪的亲脂性磁性光子纳米链

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2022-04-27 14:28

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防伪策略的广泛使用能够大大减少假冒伪劣产品对人类健康、社会经济活动，以及国家安全带来的有害影响。迄今发展的防伪技术主要包括简单水印、条形码和快速响应码、射频识别、核轨迹、光学超表面和光学可变油墨(OVI)印刷等。其中，OVI是生产防伪标签最直观、最有效的方法之一。它们光变防伪效果源于薄膜干涉产生的一对结构色在不同视角之间的切换。与此不同的是，光子晶体(PCs)具有周期性有序纳米结构，它能在较宽的可见光范围内呈现出连续可调、且随角异色变化的结构色。这使得它们很难被复制和模仿，成为下一代OVI的首选。与三维非磁性胶体晶体比较，由磁性胶体纳米簇(CNC)粒子作为组装基元在外磁场作用下取向形成的一维磁性光子晶体具有折射率高、结构色图案设计灵活且角度依赖性显著和丰富多样等特点，在防伪领域应用前景广阔。但目前发展的全固态磁性光子晶体防伪标签受周期性有序结构组装机理的限制，存在制备工艺与现有高通量丝网印刷技术不兼容，对环境不友好，印品耐环境性能和机械性能差等问题，不能满足实际应用的要求。

最近，武汉理工大学官建国教授课题组首次提出在二甲亚砜-水二元微观异相溶剂中，利用油性单体如二甲基丙烯酸甘油酯(GDMA)和光引发剂2-羟基-2-甲基丙苯酮(HMPP)在Fe₃O₄@PVP CNCs的DMSO溶剂化壳层中选择性富集，然后在外磁场H的作用下组装成一维链状光子晶体结构，并通过紫外光辅助模板原位聚合制备高饱和度(半峰宽低于30nm)的亲脂性磁性光子纳米链(PNCs)。该PNCs可直接用做颜料分散在无溶剂的脂环族环氧树脂中配制光变油墨(图1)。

图1亲脂性磁性光子纳米链(PNCs)的合成机理、结构表征以及PNCs-脂环族环氧（S-06E）光变油墨的光学性质。

在二甲亚砜-水二元微观异相溶剂中，二者的摩尔比例及单体的用量是构筑高品质PNCs的关键。通过控制其用量可得到目标产物PNCs (图2)。

图2 合成PNCs的相图及产物的SEM

通过调节合成过程中磁场强度和单体浓度，可以实现对PNCs光学性质（包括颜色亮度）的控制(图3)。

图3 合成参数对PNCs光学性能的影响

基于PNCs的磁性光子晶体墨水可以通过磁场辅助丝网印刷技术印制成防伪图案标签。这种防伪标签具有独特的光变效果，易于肉眼识别，但难以模仿和复制(图4)，且能表现出出良好的耐性和机械性能(图5)。

图4 丝网印刷防伪标签及对应的光变效果

图5 a) 丝网印刷的防伪标签在摩擦和水冲洗前后的数码照片；b) 防伪标签的耐溶剂性能。

该工作在二甲亚砜-水二元微观异相溶剂中发展的外磁场辅助选择性富集聚合方法可为构建有机-无机杂化纳米结构提供一种有效的方法，制备的高饱和度亲脂性磁性光子纳米链可作为一种先进的结构颜料用于实用防伪油墨等领域。论文以“Lipophilic Magnetic Photonic Nanochains for Practical Anticounterfeiting”为题，发表在《Small》上。文章的第一作者为武汉理工大学的博士生李刚，通信作者为罗巍博士、马会茹教授和官建国教授。

在过去的两年中，官建国教授团队制备了一系列的磁性光子晶体纳米链，如实时高分辨率微环境传感和成像的响应性水凝胶光子纳米链 (Nano Lett. 2020, 20, 803)，能在数秒内变色的葡萄糖传感光子纳米链探针 (Adv. Sci. 2022, 9, 2105239)，颜色亮度和色彩独立可调的柔性光子纳米链 (Mater. Horiz. 2021, 8, 2032)，以及基于磁性光子纳米链的人工纤毛阵列 (Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2005243)等。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202200662

通信作者简介：

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官建国

官建国，博士、武汉理工大学材料学科首席教授，材料示范学院教学院长，长江学者特聘教授、万人计划领军人才、新世纪百千万人才工程国家级人选，科技部重点领域创新团队负责人、国家重点研发计划项目首席科学家，英国皇家化学会会士，中国微米纳米技术学会会士，兼中国光学工程学会常务理事和中国微米纳米技术学会常务理事等；是Appl. Mater. Today等期刊编委。主持承担国家级重要科研项目30余项，成果实现产业化，在Natl. Sci. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Matter、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano和Nano Lett.等期刊发表高水平论文300余篇，被引用10000余次、H因子56，获授权发明专利50余项，获高等教育国家级教学成果奖二等奖、湖北省技术发明奖一等奖、军队科技进步一等奖等国家和省部级教学科研成果奖9项。课题组主页：

http://guan.group.whut.edu.cn/

马会茹

马会茹，博士、武汉理工大学化学化工与生命科学学院教授、博士生导师。主持承担国家自然科学基金等国家级和省部级科研项目近10项，在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、Mater. Horiz.、Nano Lett.等期刊发表高水平论文20余篇，获授权发明专利10余项，获湖北省技术发明奖一等奖1项、国防技术发明奖三等奖1项。

罗巍

罗巍，博士、武汉理工大学教师，硕士生导师。主要从事光子晶体材料制备及其在传感、防伪、显示等领域的应用研究。目前已在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Advanced Science, Nano Letters, Small, Nanoscale, Journal of Materials Chemistry C等国际著名学术期刊上发表SCI收录论文10余篇, 获授权发明专利10余项。主持并参与国家级、省级和企业委托项目10余项。