Inspired by the thermal treatment of metals, we design colloidal counterparts confined in microcapsules that show cooling-rate-dependent crystallization behavior. Thermo-responsive colloids are highly concentrated in microcapsules to make colloidal crystals. The crystals melt upon heating and particles recrystallize upon cooling with reversible change in volume fraction. Crystallization strongly depends on cooling rate, similar to metals. For slow cooling, large single crystalline grains grow from the inner wall of microcapsules by heterogeneous nucleation and merging. In contrast, fast cooling causes both homogeneous and heterogeneous nucleation, resulting in small crystallites with random orientations in the inner volume. Originated from Bragg diffraction, slow-cooled microcapsules display bright and orientation-dependent structural colors and fast-cooled microcapsules show axisymmetric, rotation-independent color patterns. Color brightness, reflectance, and thickness of crystalline grains decrease with the cooling rate. The microcapsules record the cooling rate in their internal structure and report optical signals, potentially serving as microsensors for thermal history.
금속의 열처리에서 영감을 받아, 마이크로캡슐 내부에 담지된 콜로이드는 냉각 속도에 의존하여 결정화 거동 및 광학적 특성을 보이도록 디자인되었다. 열 반응성 콜로이드 입자는 콜로이드 결정을 만들기 위해 마이크로 캡슐 내부에서 고농축된다. 고농축된 콜로이드 입자는 입자 부피 분율의 가역적 변화로 인해 가열 시 결정이 녹고, 냉각 시 재결정화된다. 결정화 거동은 금속과 마찬가지로 냉각 속도에 크게 의존한다. 캡슐을 천천히 냉각시킨 경우, 비균질 핵 생성 및 결정끼리의 융합에 의해 마이크로 캡슐의 내벽에서 큰 단결정 입자가 성장한다. 반대로, 빠르게 냉각시킨 경우에는 균질 및 비균질 핵 생성을 동시에 유발하여 캡슐 내부 전반에서 임의의 방향성을 가진 작은 결정을 생성한다. 이러한 구조적 차이에 의해 브래그 회절을 통한 광학 특성 또한 달라진다. 천천히 냉각된 마이크로캡슐은 밝고, 각도 의존성을 가지며 캡슐의 전체 면적에서 색상이 나타난다. 빠르게 냉각된 마이크로캡슐은 투영에서 축대칭의 각도에 독립적인 색상 패턴을 보여준다. 냉각 속도에 따라 내벽에 평행하게 정렬된 결정의 두께가 감소함에 따라 색상 밝기와 반사율도 감소한다. 마이크로캡슐은 내부 구조의 냉각 속도를 기록하고 이를 광학 신호로 표시하며, 잠재적으로 열 이력을 기록하기 위한 마이크로 센서 역할을 할 수 있다.
