Nature | 多尺度光学超材料规模化打印创制

导读

人类对光的理解和操控能力是科技进步的重要标尺。三百多年前，牛顿利用三棱镜将白光分解为七彩光带，揭示了光的色散现象；二十世纪初，爱因斯坦提出光的波粒二象性理论，对光认知的深化，奠定了现代光学的基础，推动着科技与文明的不断发展。时至今日，科学家已不再满足于“利用自然材料调控光”，而是希望通过人工从头设计的几何结构来获得天然材料不具备的超常光学性质，即光学超材料。

光学超材料就像一块精心编织的“光子织物”，通过调控结构单元的几何参数与空间排布，可对光的透射、反射、散射、衍射等传播行为以及相位、偏振等特性进行精准调控，从而实现光的色散、隐身、聚焦、全息成像等一系列天然材料无法实现的光学功能。然而，当前光学超材料在研究与产业化应用进程中仍面临诸多挑战。其中，两个典型的制约瓶颈：一是研究普遍局限于单一尺度结构，导致材料功能受限、性能调控维度不足；二是制备高度依赖光刻等精密加工技术，效率低、成本高、制备周期长，难以实现大规模、低成本制造，严重制约了实用化进程。

针对以上难题，中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组、新加坡国立大学仇成伟教授课题组及合作者在多尺度光学超材料规模化打印创制方面取得重要进展。研究团队提出了打印多尺度光学超材料的全新范式，实现了材料光学特性与结构设计的协同优化；自主研发出的卷对卷增材纳米打印制造设备，突破了光学超材料在低成本、个性化、高效量产难以兼顾的长期困境，实现了多尺度光学超材料的大规模可控制备与精准集成，为多尺度超材料研究及微纳光子学应用开辟了新路径。相关成果以“Printable meta-assemblies enable synergetic colouration”为题发表于Nature。中国科学院化学研究所李凯旋博士（现为新加坡国立大学博士后）和新加坡国立大学陈剑锋博士（现为北京大学物理学院助理研究员）为论文的共同第一作者。中国科学院化学研究所宋延林研究员，李会增副研究员和新加坡国立大学仇成伟教授为论文的通讯作者。此外，该研究还得到了中国科学院理化技术研究所李明珠研究员、新加坡科技设计大学Joel K. W. Yang教授、复旦大学等单位的支持。

团队所设计的多尺度光学超材料如图1a所示，他们创制出一种由周期性纳米晶格构成的微米尺度半球形结构，该结构嵌入在柔性基材聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，通过协同光子晶格与光学界面的耦合作用，对多尺度下的光学传输行为进行精准调控。在纳米尺度，周期性排布的纳米颗粒，会激发光子带隙（PBG）效应，由此实现波长选择性反射，并赋予结构中心显色。与此同时，在微米尺度，结构自带的凹形光学界面可局域入射光沿曲面光路传输，驱动光场在结构边缘发生多次反射干涉，进而产生边缘显色。由于多尺度光学效应，该结构在不同波长下呈现出选择性增强。与此同时，全内反射效应带来的相位延迟为体系引入偏振转换能力，在正交偏振条件下可实现环形成像。相较于各类对照结构，该超超材料具备独有的多尺度光学效应，且性能连续可调。

图1：所设计的多尺度光学超材料

图源：Nature

根据所设计的超材料架构，团队发展了卷对卷增材纳米打印制造策略并自主研发相应设备，突破了光学超材料在低成本、规模化、个性化量产难以兼顾的长期困境，实现了多尺度光学超材料的大规模可控制备与精准集成。该制备策略融合了高通量的按需喷墨打印、界面控制自组装、嵌入式转移、卷对卷剥离等关键步骤。首先，研究者将数字图像转化为打印图案，图案的空间排布、尺寸大小、颗粒密度均可按需自定义调控，实现单像素精度的精准定制。随后借助喷墨打印技术，将聚苯乙烯（纳米颗粒墨水精准沉积于疏水低粘附基底之上，构筑出穹顶型胶体光子晶体。待墨水干燥后， 纳米颗粒会自发组装，形成自带绿色结构色的穹顶型胶体光子晶体结构。紧接着，在光子晶体表面涂覆PDMS预聚物，并通过热聚合反应完成固化；此时穹顶晶体被稳定嵌入 PDMS 基体内部，通过交联网络形成一体化结构。最终，将 PDMS 薄膜从基底剥离并辊压转印后，结构的界面形貌由原本的穹顶形转变为凹形，由此诱导超组装结构生成，并激发出尺寸依赖的边缘-中心协同显色效应。原本单一绿色的打印图案，由此衍生出丰富多变的结构色彩（图 2a）。从纳米级构筑基元到宏观大尺寸超材料薄膜，该卷对卷打印技术跨越了7 个数量级，实现了多尺度超材料的低成本，规模化，高精度制备（图 2b）。

图2：卷对卷纳米打印多尺度光学超材料

图源：Nature

此外，凭借多尺度光学耦合效应，所制备的光学超材料也具备丰富的多尺度光学可调性，这为结构色的定制化调控提供了简洁高效的实现路径。如图 3 所示，当超材料单元的晶格常数保持不变，而特征尺寸发生变化时，体系由于全反射传输路径发生改变，使得材料边缘色彩从蓝色迁移到黄色，而中心区域色彩始终保持蓝色，宏观整体呈色随之由黄绿轻微偏移至青色调。反之，在超组装体尺寸固定，光子晶格常数从 220 nm 提升至 240 nm 时，光子带隙发生改变，致使中心色彩产生显著光谱红移，边缘色彩仅发生小幅微调，宏观整体呈色也从青绿鲜明转变为粉调。为完整阐明色彩响应与多尺度结构之间的定量对应关系，我们计算了不同结构参数下的中心色、边缘色、整体呈色数据库，并从微观与宏观双尺度完成实验成像表征，直观建立了清晰的结构-呈色构效关系。实验结果表明：中心色彩与光子晶格常数呈现明确的线性关联，随晶格常数的增大持续红移；同时随着超组装体尺寸不断增大，边缘色彩逐步从蓝、紫等短波色系，向橙、红等长波色系过渡。由于中心与边缘两处的色彩变化共同主导体系整体呈色效果，该结构天然具备优异的多尺度可调属性，最终实现宽波段覆盖、高精度精细化的色散调控。

图3：光学超材料的多尺度可调性

图源：Nature

除结构参数调控外，该体系还具备灵活的打印可调性。首先，通过调控超组装体堆积密度，即可便捷调节体系反射光强；其次，可将不同晶格常数、尺寸的超材料单元集成打印，实现多尺度高精度集成。如图 4所示，采用高精度集成打印技术结合多种纳米颗粒墨水，可将不同晶格常数的超材料单元有序集成。此外，依托定制化逐层打印工艺，仅利用单一纳米颗粒墨水，便可集成不同尺寸的超组装体，简易制备高精度彩色图案。总而言之，本征结构调控与打印工艺调控的双重优势，赋予该超组装体系全维度的色彩设计自由度，在定制化结构色应用方向展现出极大的发展潜力。

图4：光学超材料的高精度集成打印

图源：Nature

这项成果体现了材料科学、微纳光学与先进制造的深度交叉融合。所开发的卷对卷增材纳米打印技术，让光学超材料的生产变得像印报纸、书刊一样简单高效，不仅彻底打破了高成本的技术壁垒，大幅提升了量产效率，还能通过按需打印，为每一个超材料像素单元定制专属的光学性质，从而为定制化微纳光学研究开辟了全新思路。通过材料本征特性与人工结构设计协同优化，相信这项技术在光子信息、防伪成像、精密医学传感、绿色光子能源等关键领域，都将展现巨大的应用空间与产业化价值。

Li, K., Chen, J., Li, H. et al. Printable meta-assemblies enable synergetic colouration. Nature (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10408-8

编辑：赵阳

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