Colloidal crystals show structural colors through wavelength-selective diffraction at photonic stopbands. Here, we design photonic Janus microspheres with a controlled magnetic moment for programmable structural color switching. The Janus microspheres are produced from microfluidically produced paired drops of two distinct photocurable resins. The lighter resin contains magnetic nanoparticles and carbon black, whereas heavier one contains silica particles at a high-volume fraction. The paired drops spontaneously align vertically due to the density asymmetry. The magnetic moment is assigned in the vertically aligned drops by aligning magnetic nanoparticles with an external field and capturing them through photopolymerization. Silica particles in the heavier compartment spontaneously form crystalline arrays due to interparticle repulsion, developing structural colors. The resulting photonic Janus microspheres vertically align without an external field, like a roly-poly toy, so that carbon-black-laden compartments face upward. With an external magnetic field, the Janus microspheres align their magnetic moment to the field and display structural colors. Importantly, the direction of the magnetic moment is set by the direction of the external field during photopolymerization, which enables the simultaneous manipulation of orientations of distinct photonic Janus microspheres in a programmed manner. These photonic Janus microspheres are potentially useful as active color inks for anti-counterfeiting tags.
콜로이드 광결정은 서로 다른 물질이 수백 나노에서 수 마이크론 크기의 주기적인 구조를 형성하여 특정 파장 영역대의 빛이 투과하지 못하고 반사되어 구조색을 보여준다. 여기에서는 프로그래밍 가능한 구조적 색상 전환을 위해 제어된 자기 모멘트를 가지는 야누스 광결정 미세입자를 설계한다. 야누스 미세입자는 미세유체시스템을 통해 두 개의 독립적인 광경 화성 수지가 한 쌍을 이루는 방울로 생성된다. 가벼운 수지에는 자성 나노 입자와 카본 블랙이 포함되어 있는 반면 무거운 수지는 높은 부피 비율의 실리카 나노 입자를 포함한다. 쌍을 이루는 방울은 밀도 비대칭으로 인해 자연스럽게 수직으로 정렬된다. 자기 모멘트는 자성 나노 입자를 외부 필드와 정렬하고 광중합을 통해 포착하여 수직으로 정렬된 방울에 할당된다. 더 무거운 구획의 실리카 입자는 입자 간 반발로 인해 자발적으로 결정질 배열을 형성하여 구조색을 나타낸다. 생성된 야누스 광결정 미세입자는 오뚝이처럼 외부 자기장없이 수직으로 정렬되어 카본 블랙으로 채워진 구획이 위로 향한다. 외부 자기장에 의해 야누스 미세입자의 자기 모멘트는 자기장에 정렬되고 구조색을 표시한다. 중요한 것은 자기 모멘트의 방향이 광중합 동안 가해지는 외부 자기장의 방향에 의해 설정되어 독립적으로 자기 모멘트가 제어된 야누스 광결정 미세입자들의 방향을 동시에 조정할 수 있다. 이 야누스 광결정 미세입자는 위조 방지 태그를 위한 활성 컬러 잉크로 활용 가능하다.
