DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-70055-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41760645
تاريخ النشر: 2026-02-27
المؤلف: Yinhan Xu وآخرون
الموضوع الرئيسي: البلورات الضوئية والتطبيقات
نظرة عامة
تقدم البحث تقدمات في المواد البصرية الاستجابة، مع التركيز بشكل خاص على قطرات جانوس التي توفر تغذية بصرية في الوقت الحقيقي للمؤثرات الخارجية من خلال إشارات الضوء المرئي. تستخدم هذه القطرات الانعكاس الداخلي الكلي والتداخل (TIRI) عند واجهاتها السائلة-السائلة المقعرة لإظهار ألوان زاهية. يتناول الدراسة التحديات المتعلقة بتحقيق ألوان هيكلية تعتمد على TIRI استجابة للمؤثرات من خلال عرض تصنيع قطرات جانوس بألوان قابلة للتعديل تستجيب لتغيرات في تركيبة المواد السطحية ودرجة الحرارة.
من خلال التلاعب في تركيبات المواد السطحية، تمكن الباحثون من ضبط شكل القطرات وانحناء الواجهة، مما يسمح بتغيرات قابلة للعكس في مظهر اللون الهيكلي، والذي يمكن أن يظهر إما كألوان قزحية أو غير قزحية بناءً على ظروف الضوء الساقط. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للقطرات تبديل لونها الهيكلي تشغيلًا أو إيقافًا استجابةً لتغيرات درجة الحرارة بسبب التحولات الطورية التي تؤثر على انعكاس الضوء. تضع هذه الاستجابة البصرية المعتمدة على درجة الحرارة هذه القطرات كعلامات أمان فعالة للاستخدام لمرة واحدة لمراقبة تاريخ التجميد للأدوية الحساسة لدرجة الحرارة، مما يضمن سلامة المنتج.
مقدمة
تناقش المقدمة ظاهرة الألوان الهيكلية، التي تنتج عن تفاعلات الضوء مع الهياكل النانوية/الميكروية من خلال الانكسار، والانعاكاس، والتداخل. على عكس الأصباغ الكيميائية، يتم توليد الألوان الهيكلية بشكل مادي، مما يؤدي إلى مزايا مثل السطوع، والصداقة البيئية، ومقاومة التلاشي. لقد سهلت التقدمات الأخيرة في الهياكل النانوية والميكروية الاصطناعية تطوير مواد ألوان هيكلية استجابة للمؤثرات تتغير ألوانها استجابةً لمؤثرات خارجية متنوعة، بما في ذلك درجة الحرارة والضغط. تحمل هذه المواد وعدًا بتطبيقات في الروبوتات اللينة، والأجهزة القابلة للارتداء، ومراقبة البيئة.
تسلط هذه الفقرة الضوء على التحديات المرتبطة بالطرق التقليدية لتوليد الألوان الهيكلية، والتي تتطلب عادةً هياكل مرتبة للغاية وتقنيات تصنيع معقدة. ظهرت استراتيجيات جديدة، مثل الانعكاس الداخلي الكلي والتداخل (TIRI) عند واجهات السائلة-السائلة المقعرة داخل قطرات المستحلب ثنائي الطور، كبدائل واعدة. تتيح هذه الطريقة توليد الألوان الهيكلية دون الحاجة إلى أدوات تصنيع نانوية. ومع ذلك، فهي محدودة بمتطلبات أحجام قطرات مختلفة لتحقيق ألوان متعددة، مما يقيد تطبيقها في أنظمة تغيير الألوان الديناميكية.
لمعالجة هذه القيود، يقدم المؤلفون نظام ألوان هيكلية استجابة مزدوجة للمؤثرات يعتمد على قطرات جانوس ذات واجهات قابلة للتعديل. يتيح هذا النظام تعديل الألوان الديناميكي من خلال تغييرات في تركيبة المواد السطحية أو درجة الحرارة، مما يسهل تبديل الألوان القابل للعكس. تُظهر العلامة المقترحة لمراقبة درجة حرارة سلسلة التبريد قدرات كشف مزدوجة النطاق واستقرار جيد، مما يوفر تحسينًا كبيرًا على أنظمة المراقبة التقليدية من خلال توفير مؤشرات بصرية واضحة لأحداث التجميد وتعزيز موثوقية تتبع سلامة سلسلة التبريد.
طرق
في هذه الدراسة، تشمل المواد المستخدمة الهكسان (نقاء 99%) وميثوكسي بيرفلوروبوتان (HFE-7100، نقاء 98%)، وكلاهما مصدره من Aladdin. تم الحصول على كبريتات دوديسيل الصوديوم (SDS، نقاء > 99%) من Sigma-Aldrich، بينما تم الحصول على Capstone FS-30 (نقاء 25%) من شركة Shanghai Kingpont Industrial Co., Ltd. تم استخدام جميع المواد الكيميائية في حالتها المستلمة دون أي عمليات تنقية إضافية.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تصنيع قطرات جانوس ثنائية الطور بنجاح باستخدام تقنية تبخر المستحلب-المذيب. تم إذابة خليط 1:1 من الهكسان وميثوكسي بيرفلوروبوتان (HFE-7100) في الكلوروفور واستخدم كمرحلة زيت لإنشاء قطرات مستحلب أحادية التوزيع عبر جهاز ميكروفلويديك شعري. كانت المحلول المائي الذي يحتوي على Capstone FS-30 وكبريتات دوديسيل الصوديوم (SDS) هو المرحلة المستمرة. بعد تبخر الكلوروفور، خضعت القطرات لفصل الطور السائل-السائل، مما أدى إلى تشكيل قطرات جانوس التي تتميز بواجهة مقعرة من الهكسان/HFE-7100.
تم التحقيق في السلوك البصري لهذه القطرات تحت الإضاءة، مما يكشف أن الضوء الساقط يمكن أن يخضع للانعكاس الداخلي الكلي عند الواجهة المنحنية عندما يتجاوز زاوية السقوط الزاوية الحرجة $\theta = 65.4^\circ$. سمحت هذه الهندسة بانعكاسات متعددة، مما أدى إلى أنماط تداخل بالقرب من خط الاتصال الثلاثي، مما أنتج ألوان هيكلية زاهية. أظهرت الدراسة أن قطرات جانوس عرضت ألوانًا مميزة—وردي، أخضر، وأزرق—تتوافق مع أقطار متوسطة تبلغ 60.5 ميكرومتر، 48.2 ميكرومتر، و41.6 ميكرومتر، على التوالي، مما يشير إلى أن اللون المرصود يعتمد على حجم القطرات والفرق في المسار البصري الناتج.
مناقشة
في هذه الدراسة، يستكشف المؤلفون تلوين قطرات جانوس استجابةً مزدوجة للمؤثرات، مع التأكيد على إمكانياتها في تطبيقات مراقبة سلسلة التبريد للأدوية. يتأثر شكل القطرات والألوان الهيكلية الناتجة بالتوترات السطحية بين الهكسان، HFE-7100، والماء، مع تكوينات محددة (نواة-غلاف أو جانوس) تحددها توازن هذه التوترات. تكشف النتائج أن القطرات تعرض ألوانًا هيكلية زاهية يمكن تعديلها ديناميكيًا من خلال تغييرات في تركيبة المواد السطحية ودرجة الحرارة. على سبيل المثال، يؤدي تغيير نسبة وزن المواد السطحية إلى تغيير هيكل القطرات، مما يؤدي إلى استجابات بصرية مختلفة، بينما تؤدي التحولات الطورية الناتجة عن درجة الحرارة في الهكسان إلى تغييرات قابلة للعكس في اللون.
تظهر الأبحاث أيضًا التطبيق العملي لهذه القطرات كعلامات بصرية لمؤشرات درجة الحرارة في الأدوية. يمكن أن تشير العلامات إلى تغييرات لونية قابلة للعكس عند حوالي 4 °م وتغييرات غير قابلة للعكس تحت 0 °م، مما يسجل أحداث التجميد بشكل فعال. تم تأكيد استقرار الألوان الهيكلية من خلال اختبارات ميكانيكية واختبارات التخزين على المدى الطويل، مما يظهر تدهورًا ضئيلًا بمرور الوقت. لا تعالج هذه الطريقة المبتكرة فقط قيود مؤشرات درجة الحرارة الحالية، بل تفتح أيضًا آفاقًا لدمج هذه المواد الاستجابة في تقنيات متنوعة، بما في ذلك مكافحة التزوير والعروض التفاعلية. بشكل عام، تقدم الدراسة منصة متعددة الاستخدامات لتطوير أنظمة بصرية ديناميكية تعتمد على الواجهات السائلة، مما يبرز أهميتها في التطبيقات الواقعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-70055-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41760645
Publication Date: 2026-02-27
Author(s): Yinhan Xu et al.
Primary Topic: Photonic Crystals and Applications
Overview
The research presents advancements in responsive optical materials, specifically focusing on Janus droplets that provide real-time visual feedback to external stimuli through visible light signals. These droplets utilize total internal reflection and interference (TIRI) at their concave liquid-liquid interfaces to exhibit vivid coloration. The study addresses the challenges of achieving stimuli-responsive TIRI-based structural colors by demonstrating the fabrication of Janus droplets with tunable colors that respond to variations in surfactant composition and temperature.
By manipulating surfactant formulations, the researchers successfully adjusted droplet morphology and interface curvature, allowing for reversible changes in structural color appearance, which can manifest as either iridescent or non-iridescent modes based on incident light conditions. Additionally, the droplets can switch their structural color on or off in response to temperature changes due to phase transitions affecting light reflection. This temperature-dependent optical response positions these droplets as effective single-use security labels for monitoring the freeze history of temperature-sensitive pharmaceuticals, thereby ensuring product integrity.
Introduction
The introduction discusses the phenomenon of structural coloration, which results from light interactions with nano/micro structures through diffraction, reflection, and interference. Unlike chemical pigments, structural colors are generated physically, leading to advantages such as brightness, environmental friendliness, and resistance to fading. Recent advancements in artificial micro- and nanostructures have facilitated the development of stimuli-responsive structural color materials that change color in response to various external stimuli, including temperature and pressure. These materials hold promise for applications in soft robotics, wearable devices, and environmental monitoring.
The section highlights the challenges associated with traditional methods of generating structural colors, which typically require highly ordered structures and complex fabrication techniques. New strategies, such as total internal reflection and interference (TIRI) at concave liquid-liquid interfaces within biphasic emulsion droplets, have emerged as promising alternatives. This approach allows for the generation of structural colors without the need for nanofabrication tools. However, it is limited by the requirement for different droplet sizes to achieve multiple colors, which constrains its application in dynamic color-changing systems.
To address these limitations, the authors present a dual-stimuli-responsive TIRI structural color system based on Janus droplets with tunable interfaces. This system enables dynamic color modulation through changes in surfactant composition or temperature, facilitating reversible color switching. The proposed monitoring label for cold-chain temperature tracking demonstrates dual-range detection capabilities and good stability, offering a significant improvement over conventional monitoring systems by providing clear visual indications of freezing events and enhancing reliability in tracking cold-chain integrity.
Methods
In this study, the materials utilized included hexadecane (purity 99%) and methoxyperfluorobutane (HFE-7100, purity 98%), both sourced from Aladdin. Sodium dodecyl sulfate (SDS, purity > 99%) was acquired from Sigma-Aldrich, while Capstone FS-30 (purity 25%) was obtained from Shanghai Kingpont Industrial Co., Ltd. All chemicals were employed in their received state without any additional purification processes.
Results
In this study, biphasic Janus droplets were successfully fabricated using an emulsion-solvent evaporation technique. A 1:1 mixture of hexadecane and methoxyperfluorobutane (HFE-7100) was dissolved in chloroform and utilized as the oil phase to create monodisperse emulsion droplets via a capillary microfluidic apparatus. An aqueous solution containing Capstone FS-30 and sodium dodecyl sulfate (SDS) served as the continuous phase. Following chloroform evaporation, the droplets underwent liquid-liquid phase separation, resulting in the formation of Janus droplets characterized by a concave hexadecane/HFE-7100 interface.
The optical behavior of these droplets was investigated under illumination, revealing that incident light could undergo total internal reflection at the curved interface when the angle of incidence exceeded the critical angle of $\theta = 65.4^\circ$. This geometry allowed for multiple reflections, leading to interference patterns near the three-phase contact line, which produced vivid structural colors. The study demonstrated that the Janus droplets exhibited distinct colors—pink, green, and blue—corresponding to average diameters of 60.5 μm, 48.2 μm, and 41.6 μm, respectively, indicating that the observed color is dependent on droplet size and the resulting optical path difference.
Discussion
In this study, the authors explore the dual-stimuli-responsive coloration of Janus droplets, emphasizing their potential for applications in cold-chain monitoring for pharmaceuticals. The droplet morphology and resulting structural colors are influenced by the interfacial tensions among hexadecane, HFE-7100, and water, with specific configurations (core-shell or Janus) determined by the balance of these tensions. The findings reveal that the droplets exhibit vivid structural colors that can be dynamically modulated through surfactant composition and temperature changes. For instance, varying the surfactant weight fraction alters the droplet structure, leading to different optical responses, while temperature-induced phase transitions in hexadecane result in reversible color changes.
The research further demonstrates the practical application of these Janus droplets as visual indicators for temperature excursions in pharmaceuticals. The labels can indicate reversible color changes at around 4 °C and irreversible changes below 0 °C, effectively recording freeze events. The stability of the structural colors was confirmed through mechanical and long-term storage tests, showing minimal degradation over time. This innovative approach not only addresses the limitations of existing temperature indicators but also opens avenues for integrating these responsive materials into various technologies, including anti-counterfeiting and interactive displays. Overall, the study presents a versatile platform for developing dynamic optical systems based on fluid interfaces, highlighting their significance in real-world applications.