【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】長期以來，結構色材料因鮮艷、耐久、環(huán)保，被視為下一代防偽、織物、涂層等領域的重要材料。但如何讓產生結構色的膠體粒子快速、有序組裝，并實現(xiàn)連續(xù)化、規(guī)模化制造，始終是制約其應用的關鍵難題。
 

　　北京時間9月4日凌晨，復旦大學高分子科學系汪長春教授團隊在《科學》（Science）期刊發(fā)表題為“Monomer-biased manufacture of industrial-scale colloidal photonic films”的研究成果，提出單體介導的膠體粒子組裝策略，發(fā)展出適配工業(yè)規(guī)模的組裝路線，實現(xiàn)結構色材料從實驗室樣品到千米級連續(xù)制造的跨越，為其走向防偽標識、智能織物、功能涂層等產業(yè)化應用打開新路徑。
 

　　提到顏色，很多人的第一反應是“油墨”“油漆”“涂料”。這類傳統(tǒng)顏料大多依靠復雜化學分子顯色，其生產過程往往伴隨污染物排放，使用久了還會掉色、刮花，拉扯后色彩還容易斑駁脫落。
 

　　而團隊研發(fā)的則是另一種色彩解決方案：讓顏色直接從材料的微觀結構里“長”出來。
 

　　這一“神奇”的材料，就是膠體光子晶體。它是由膠體粒子在空間中周期性排列形成的一類有序材料。通俗來講，膠體光子晶體由均勻的小球組裝而成。這些小球就像一塊塊“磚頭”，整齊堆疊，碼成一面“墻”，白光照射上去，墻體便會反射出特定波長的光；反射什么顏色，由小球大小決定。這種由微觀結構產生的顏色，稱作結構色。
 

　　但如何把“無序分散”的膠體小球組裝成“高度有序”的結構，是一道難題。而且，在室溫條件下，組裝過程往往非常緩慢，難以滿足快速、穩(wěn)定、連續(xù)的工業(yè)化加工要求。
 

　　經過反復實驗，團隊提出了“單體介導組裝”創(chuàng)新技術，破解了這一困局。
 

　　研究發(fā)現(xiàn)，將適量的介導單體加入膠體粒子體系后，原本雜亂分散粒子的排列仿佛被按下了“快進鍵”，在剪切作用下，數(shù)十秒內就可形成高度有序的膠體光子晶體結構。
 

　　單體和小球，就像是“水泥”和“磚塊”。在聚合前，單體先作為介導分子“引導”小球組裝，同時調控小球間的作用力、體系黏彈性，使小球們保持均勻分散的狀態(tài)。組裝完成后，單體進一步通過光聚合形成長鏈或三維聚合物網(wǎng)絡，將已經成型的有序結構固定下來，讓“磚塊砌成的墻”變得更結實、穩(wěn)定。
 

　　該技術方案適配性廣泛。研究發(fā)現(xiàn)，苯乙烯和多種丙烯酸酯類單體均能夠有效介導膠體粒子的快速組裝。有機微球、無機微球、核殼微球以及有機-無機雜化微球等不同材料，都可以使用該技術在室溫下快速形成光子晶體結構。
 

　　長期以來，在膠體光子晶體體系，存在一個“不可能三角”(又稱“魔鬼三角”)，即光子晶體的制備速度、光學性能、力學性能，三者無法同時兼顧：想要快，內部小球排列質量可能下降；想要光學效果好，組裝時間就拉長；想要材料結實，又會影響組裝過程中小球有序排列。
 

　　汪長春介紹，在單體介導組裝方法中，介導單體觸發(fā)了多個節(jié)點組裝性能的躍升，貫穿整個組裝過程，獲得了“一石三鳥”的協(xié)同增強效果。也就是該技術能使單分散小球室溫下數(shù)十秒內完成高質量組裝，并可在光引發(fā)下快速聚合定型，還能通過單體種類調控材料最終性能，造出可剛可柔、親水或疏水的膠體光子晶體薄膜。
 

　　團隊把“不可能”，變成“可能”。
 

　　從實驗室樣品，到千米級產品
 

　　對材料技術而言，實驗室成功并不等于產業(yè)化成功。很多難題即使在實驗室里解決了，也不一定能進入工業(yè)化。但只有工業(yè)化成功，才能讓材料真正“有用”。
 

　　因此，團隊在一開始設計實驗路線時，就將工業(yè)化落地納入考量。
 

　　團隊與光馭科技有限公司等業(yè)界伙伴開展合作，選用聚合物核殼微球為模型，將單體與微球乳液均勻混合，并進一步開發(fā)了集涂布、干燥、剪切組裝、紫外光固化和收卷于一體的卷對卷連續(xù)制造工藝。
 

　　單體與微球這種相互依存的特殊狀態(tài)，能同時滿足工業(yè)化生產的兩大核心需求：無外力剪切時，材料體系穩(wěn)定性強，能抵御產線加工過程中的各類擾動，減少顆粒結塊、氣泡、薄膜開裂等缺陷；施加剪切外力后，膠體顆粒又具備充足活動空間，在常溫下快速移動、規(guī)整排列，形成有序結構。
 

　　待顆粒排布完成，再通過紫外光引發(fā)單體聚合，固定結構。由此，這套工藝實現(xiàn)了膠體粒子的穩(wěn)定分散、快速有序組裝、結構固化的三道關鍵工序，并在產線上一體化高效完成。
 

　　“工業(yè)化很重要的一點就是效率高，具備成本優(yōu)勢。”汪長春說?；谶@一方法，團隊以25米/分鐘的速度，連續(xù)制備出長4000米、寬1.3米、厚15微米的膠體光子晶體薄膜。成品薄膜色彩鮮亮通透，只需更換不同粒徑的膠體微球，就能批量制備出各種顏色的結構色薄膜，粉碎后就可以得到光子晶體顏料，充分證明該技術的工業(yè)潛力。
 

　　團隊制備的膠體光子晶體薄膜，為兼顧視覺設計與功能發(fā)揮提供了新的解決方案。
 

　　彩色光伏板是一個直觀例子。目前，許多光伏板呈現(xiàn)黑、藍色外觀，而這款薄膜可以實現(xiàn)多色彩調控，推動光伏器件與建筑幕墻、公共設施等生活場景一體化融合，讓城市更“美”好。
 

　　在更廣闊的應用中，膠體光子晶體薄膜和顏料可以用于防偽商標、炫彩車衣、低能耗顯示、可視化感知、光信息傳輸以及柔性可穿戴器件等各種與顏色相關的領域，由終端廠家繼續(xù)轉化成不同的產品。
 

　　把“不可能”，一遍遍做成可能
 

　　創(chuàng)新突破往往不是突然出現(xiàn)的，而是從研究團隊長期的積累、轉向和融合中生長出來的。
 

　　最早，團隊做的是一顆顆幾十納米、幾百納米的小球，要做到尺寸盡可能一致。后來，他們又嘗試在小球里加入不同功能，比如磁性、發(fā)光等，讓這些小球擁有更多功能。研究路徑由此延展：先把小球做均勻，再賦予功能，再嘗試操控它們，最終把它們組裝成晶體。
 

　　在汪長春看來，科研中最大的困難是如何突破擺在面前的“不可能三角”，然后解決從實驗室走向工業(yè)化放大過程中面臨的巨大挑戰(zhàn)。在問題沒有解決之前，會覺得“非常非常難”；一旦找到路徑回頭再看，似乎又“也不是那么難”。這也是許多科研人的真實畫像：在沒有答案的時候愿意堅持嘗試，享受探索過程的快樂。
 

　　談到為什么要挑戰(zhàn)“不可能三角”時，汪長春說：“科研就是要有挑戰(zhàn)困難的興趣和勇氣，就是要找重要的、難做的、覺得不可能的問題，或者是做出世界上未出現(xiàn)的第一個產品。”
 

　　
 

　　未來，團隊還將圍繞膠體光子晶體的功能展開探索，例如讓顏色用于顯示溫度、濕度，作用力、或與防曬等特定功能結合；同時，也要探索基本科學問題，例如：幾百納米微球的結晶(組裝)與小分子結晶到底有何區(qū)別？現(xiàn)在的組裝在薄膜內，是不是可以實現(xiàn)塊體內的高效組裝？現(xiàn)在的組裝可以在幾十秒內完成，未來能否進一步縮短？
 

　　顏色，是這項研究最先被看見的部分。但在顏色背后，是一套關于結構、速度、強度和產業(yè)化的系統(tǒng)回答。團隊正在走的，正是這樣一條把科學原理帶向現(xiàn)實現(xiàn)場的路。
 

　　復旦大學高分子科學系博士后李華騰為論文的第一作者，復旦大學高分子科學系汪長春教授和劍橋大學Oren A. Scherman教授為論文的共同通訊作者，復旦大學為第一單位。復旦大學高分子科學系李衛(wèi)華教授，溫州大學楊俊英副教授，光馭科技有限公司田豐博士，復旦大學高分子科學系的趙國偉博士、黃翰聞博士、陳露露博士、博士生藍若騏以及劍橋大學Jade A. McCune博士參與了本課題研究。該研究得到了國家自然科學基金重點項目和創(chuàng)新研究群體項目，國家重點研發(fā)計劃，上海市“科技創(chuàng)新行動計劃”啟明星項目(揚帆專項)和廣東省重點領域研發(fā)計劃項目的支持。劍橋大學Oren A. Scherman教授得到了聚合物分子工程全國重點實驗室高級訪問學者基金的支持。
 

　　引用：登上《科學》雜志！復旦團隊造出千米級膠體光子晶體結構色薄膜-【引用時間：2026年9月7日】