具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

<实施例>

本实施例的一种基于FDTD的结构色微球壳制备方法，包括以下步骤：

步骤1，设计结构色微球壳的结构包括内相、包覆内相的壳层以及位于壳层外的外相，设定内相、壳层以及外相的折射率，并基于FDTD算法根据结构色微球壳的结构构建得到微球壳模型，通过改变微球壳模型的结构参数，模拟得到结构色微球壳的反射光谱，来建立结构参数与结构色的联系，并根据结构色微球壳需产生的结构色确定对应的结构参数。

内相、壳层以及外相分别由内相气体、壳层材料溶液以及外相溶液进行制备，

内相气体为高纯氮气，外相溶液为聚乙烯醇水溶液，壳层材料溶液为水凝胶前驱体或纳米二氧化硅胶体。

步骤1中，微球壳模型为z-x平面内的二维微球壳，

图1是本发明的实施例中微球壳模型的侧面结构示意图。

如图1所示，微球壳模型包括包覆内相的壳层1、内相2、以及位于壳层外的外相3。

本实施例中，利用基于FDTD算法的软件MEEP构建微球壳模型。

结构参数包括微球壳的半径、壳层厚度以及偏离程度，

微球壳模型的结构参数中，半径为26μm-34μm，壳层厚度为0.6μm-1.2μm，偏离程度为微球壳模型的两个球心在竖直方向z上存在0μm-xμm的偏离，x为壳层厚度。

设定微球壳模型中的内相的介质折射率为1，壳层的折射率为1.45，外相的折射率为1.34。

图2是本发明的实施例中微球壳模型的FDTD模型图。

如图2所示，步骤1中，在通过改变微球壳模型的结构参数，模拟得到微球壳的反射光谱的具体过程如下：

通过设置平面波光源4和监视器5来得到反射光谱，

平面波光源4为宽谱高斯脉冲，脉冲长度小于33fs，平面波光源4的电场极化方向垂直于微球壳模型的平面，

监控器5为点监控器，设置在边缘壳层的厚度中心，用于监测设置处的电场强度Ey，监测的波长范围为350nm-750nm，

开启平面波光源4，平面波光源4发出入射脉冲并经过微球壳模型，由通过监控器5监测观察时间内经过壳层传输后的接收脉冲。由于该结构中侧壁的入射脉冲会经由壳层传播，从对称端的侧壁回射，因此直接将入射脉冲光谱与接收脉冲光谱视为整个微球壳模型的反射光谱。

本实施例中，还对半径30μm，壳层厚度0.9μm，偏离程度0.8μm的微球壳模型的反射光谱进行测试，图3是本发明的实施例中半径30μm，壳层厚度0.9μm，偏离程度0.8μm的微球壳模型对应的反射光谱。

如图3所示，当微球壳模型的半径为30μm，壳层厚度为0.9μm，偏离程度为0.8μm的时，可以明显看到在370nm、580nm处存在反射谱峰值，说明对应波长的光波在结构内相长干涉，可以产生对应结构色。

步骤2，在毛细管微流控芯片中通入多相流体，并根据结构参数对应调节外相溶液的流速、壳层材料溶液的流速以及内相气体的气压，制备得到液层微球壳。

本实施例中，利用毛细管拉针制备具有一定口径的毛细管，再结合特定的表面化学修饰使毛细管具有亲/疏水性，将毛细管通过方形管对齐制备得到共聚焦-流聚焦微流芯片。基于制备的毛细管微流芯片，利用微流泵与压力调节器控制流入沟道内的液体流速与气体压强，在合适的流速与压强下，可以制备得到大小均一的液层微球壳。

本实施例中，在毛细管微流控芯片中通入多相流体得到液层微球壳的具体过程如下：

步骤2-1，首先利用毛细管拉针法与表面化学修饰制备毛细管微流控芯片，控制两管管径为10μm、150μm左右，两管间距在150μm左右。

步骤2-2，准备壳层材料溶液以及外相溶液，

步骤2-3，将壳层材料溶液以及外相溶液按不同的方向通入毛细管微流控芯片中，控制外相溶液流速在40000-50000μL/h，壳层材料溶液流速在1000-2000μL/h，内相气体气压在10-20psi，即可制备得到大批量单分散液层微球壳，并在液层微球壳表面覆上一层盖玻片保证液面平整以及防止球壳破裂，即可获得具有同一颜色分布的液层微球壳。

步骤2-4，通过调节外相溶液的流速与内相气压来改变半径，通过调节壳层材料溶液的流速来改变壳层厚度。

本实施例中，通过调节壳层材料溶液流速为1300μL/h和1500μL/h得到不同的液层微球壳，并对结构色进行对比，图4是本发明的实施例中的壳层材料溶液流速为1300μL/h、1500μL/h对应的液层微球壳的光镜对比图。

如图4所示，通过改变壳层材料溶液流速对应得到的液层微球壳具有不同的结构色。

液层微球壳的结构色随着时间发生变化，直至内相气体完全溶解至周围环境。

步骤3，根据壳层材料溶液的不同，采用与壳层材料溶液对应的固化方式对液层微球壳进行固化，得到脱离液体环境稳定存在的结构色微球壳。

当壳层材料溶液为水凝胶前驱体时，通过在紫外光照下进行固化，对应得到脱离液体环境稳定存在的结构色微球壳，本实施例中，具体过程如下：

使用水凝胶前驱体作为壳层材料溶液，根据步骤2制备得到水凝胶前驱体微球壳，在样品表面覆上盖玻片后，利用紫外光进行2-3min的照射，获得固化后的水凝胶微球壳，图5是本发明的实施例中水凝胶微球壳的光镜图，

如图5所示，固化后的水凝胶微球壳仍具有结构色现象。

再将固化的结构色微球壳用去离子水洗净干燥，利用SEM观察微球壳，图6是本发明的实施例中水凝胶微球壳的电镜图，

如图6所示，可知其直径在25μm，微球壳的壳层厚度不均匀，最薄处小于100nm，部分位置壳层厚度大于1μm。

步骤3中，当壳层材料溶液为纳米二氧化硅胶体时，通过溶剂挥发进行固化，对应得到脱离液体环境稳定存在的二氧化硅微球壳，本实施例中，具体过程如下：

使用纳米二氧化硅胶体作为壳层材料溶液，根据步骤2制备得到二氧化硅胶体微球壳，将样品置于通风环境中保持8小时以上，待胶体的溶剂完全挥发，制备得到二氧化硅微球壳，将微球壳用去离子水洗净干燥，可以得到脱离液体环境稳定存在的二氧化硅微球壳，图7是本发明的实施例中二氧化硅微球壳的光镜图，

如图7所示，固化后的二氧化硅微球壳仍具有结构色现象。

再利用SEM观察二氧化硅微球壳，图8是本发明的实施例中二氧化硅微球壳的电镜图。

如图8所示，二氧化硅微球壳直径在30μm左右。

本实施例的一种基于FDTD的结构色微球壳制备方法制备得到的结构色微球壳为非球对称的核壳结构，

结构色微球壳的壳层厚度的最薄处小于100nm，最厚处为1μm以上，结构色微球壳的球壳外径为10μm-100μm。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的一种基于FDTD的结构色微球壳制备方法，因为基于FDTD算法根据结构色微球壳的结构构建相应的微球壳模型来建立结构参数与结构色的联系，FDTD算法的稳定性高，计算速度快，占用内存小，能够高效获得微球壳结构中任意位置的电场分布，便于分析光干涉的产生；并且本实施例的制备方法简单、可控度高、成本低，可以拓展制备多种不同功能的结构色微球壳。另外，本实施例制备得到的结构色微球壳为非球对称的核壳结构，具有新颖的成色结构，该结构对于组成材料的种类以及物化性质要求小，能够增加入射光的反射率，提高结构色的亮度，通过该结构可以调制光的空间分布，在微纳光子器件、结构色防伪等多种领域均具有重要的应用前景。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。