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更新时间： 2026-04-24
分类：软件教程
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Nature:可打印的元组件实现协同着色
结构色因无染料、抗褪色和环境友好而被视为传统化学着色的重要替代方向，但自然界中高性能结构色往往依赖纳米尺度构筑单元与微米尺度形貌层级之间的协同耦合，而现有人工光学系统大多只能在单一尺度上制备，因而在可扩展制造、颜色可调性和多功能性上仍面临明显限制；尤其是如何在统一模型与连续制造框架下，把多尺度层级光学结构从实验室小面积制备推进到可定制、大面积、低成本打印，仍是仿生超表面与结构色研究中的关键空缺。针对这一研究空缺，中科院化学所宋延林、李会增|新国立仇成伟团队提出了一种可打印元组装策略，通过卷对卷加法纳米印刷将低成本聚苯乙烯纳米颗粒周期性嵌入聚二甲基硅氧烷基体，构建出基于纳米晶格的微凹光学界面，使纳米尺度光子带隙效应与微尺度全内反射传播及干涉在同一单元中实现协同耦合，从而得到具有高可设计性和高可调性的协同着色；其中，先由喷墨打印驱动胶体颗粒自组装形成穹顶胶体光子晶体，再通过PDMS包埋、固化和剥离翻转，触发从穹顶到微凹界面的形貌转换并形成元组装结构。这个过程可以类比为把“决定颜色”的纳米晶格与“分配光线路径”的微凹腔体压缩到同一个可连续制造的印刷单元里，使中心区域和边缘区域分别主导不同的光学色散并最终协同输出整体颜色。实验结果表明，该方法可实现米级元组装打印，跨越七个数量级的尺度制造，制备出包含约4 × 10^7个元组装、约7 × 10^13个216 nm纳米颗粒的大片结构色薄膜，并在403225 dpi分辨率下形成高均一阵列；同时，元组装颜色可随纳米颗粒直径、元组装尺寸与打印排布方式灵活调控，并在反射、逆反射及双光束协同照明下表现出宏观协同着色能力。该成果以 Printable meta-assemblies enable synergetic colouration 为题，于2026年4月22日发表于《Nature》。
a，上：卷对卷加法纳米印刷示意图。下：以直径216 nm纳米颗粒为例展示元组装形成的实验演示，包括初始绿色DCPC印刷图样和最终彩色元组装印刷图样的照片，以及印刷图中标记区域的明场和偏振光学显微图像。此处获得了可定制图样，包括经典艺术作品（《蒙娜丽莎》；《戴珍珠耳环的少女》；《自画像》；《星月夜》；《拾穗者》；《印象·日出》）以及杰出科学家肖像（伽利略·伽利莱；艾萨克·牛顿；阿尔伯特·爱因斯坦）。b，从纳米尺度到宏观尺度的跨尺度制造，包括从左到右：纳米颗粒的透射电子显微镜图像、单个元组装的截面扫描电子显微镜图像、元组装阵列的俯视扫描电子显微镜图像（插图为单个元组装的俯视扫描电子显微镜图像）以及由元组装印刷组成的卷绕彩色薄膜照片。c，元组装模型示意图，展示元组装体系中光子带隙和全内反射的协同光学效应。插图为由全内反射形成的典型光传播路径。d，不同波长下元组装的模拟电场分布。e，元组装与光子晶体微球之间的光学对比，包括对应的明场和偏振光学显微图像。f，由相同纳米颗粒（直径216 nm）构成的不同尺寸元组装的反射光谱汇总。比例尺：1 cm（a，左两图）；200 μm（a，右两图）；100 nm（b，左）；2 μm（b，中左）；100 μm（b，中右）；5 μm（b，中右插图，d，e）；2 cm（b，右）。a.u.表示任意单位。
a，制备细节示意图，包括DCPC结构的喷墨打印（1）、PDMS预聚物刮涂（2）、热固化（3）以及固化PDMS剥离（4）。b，上：边缘强度随回缩接触角（θRec）变化。下：θRec分别为50°、95°和135°时元组装的典型强度分布。需要注意的是，该强度对应宽带反射，而非特定波长处的反射。c，由所打印DCPC转化得到的元组装产率。插图为剥离过程实时记录的一部分。d，元组装阵列的尺寸分布（左）和颜色分布（右），表明元组装打印具有良好的均一性和可控性。e，制备得到的米级元组装印刷品照片，包括经典艺术作品与杰出科学家肖像（从左到右：《星月夜》；《印象·日出》；《拾穗者》；《呐喊》；《蒙娜丽莎》和《戴珍珠耳环的少女》；艾萨克·牛顿肖像和伽利略·伽利莱肖像；玛丽·居里肖像和阿尔伯特·爱因斯坦肖像；罗希尔·范德魏登的《自画像》和《自画像》）。
a–c，元组装模型在不同波长下的侧视场分布。d–f，从上述模型采集得到的对应强度分布。当入射光波长落在光子带隙范围内时，由于不同尺度光学效应的相互作用，边缘区域的场强会被显著抑制。g，晶格常数为215 nm的六方紧密堆积光子晶体第一布里渊区。h，计算得到的能带图，表明存在不完全光子带隙效应。i，j，元组装模型从近场到远场空间的色散分布，包括计算得到的着色结果（i）和示意图（j）。k，l，元组装模型整体颜色分布的模拟空间投影（k）以及沿投影中黑色虚线采集得到的俯视角分辨虹彩焦散（l）。m，投影虹彩焦散的光学显微图像。n，经归一化处理后从元组装模型采集的远场角分辨反射光谱。比例尺：2 μm（c，i，k，m）。a.u.表示任意单位。
a，b，通过光谱及其对应色块展示多尺度颜色可调性，相关数据采集自元组装的局部区域（中心和边缘）及整体。c，不同结构参数下的色块库，直观展示了多尺度可调性以及从局部到整体着色的对应关系。d，具有关键结构参数的元组装库，包括明场图像及对应的偏振光学显微图像。e–g，利用基于Dn的集成打印展示打印赋能的可调性，包括由三种不同尺寸纳米颗粒（180、216和240 nm）构成的元组装阵列的宏观图像（e）以及明场光学显微图像（f，g）。h，利用基于Dm的集成打印展示打印赋能的可调性，包括由三种不同直径14.3、21.0和25.8 μm元组装组成的宏观图像，以及对应的偏振光学显微图像以展示其详细空间分布。比例尺：20 μm（d）；1 mm（e）；100 μm（f，h右）；25 μm（g）；2 mm（h左）
a–c，受控元组装着色模式的示意图与照片，包括以绿着色为特征的光子带隙主导反射模式（例如θin = 30°）（a）、以蓝着色为特征的全内反射主导逆反射模式（例如D = 1 cm）（b），以及在双光束协同照明下实现的反射–逆反射组合及青色着色（c）。在单束斜入射准直光照明下，光子带隙主导的布拉格反射和全内反射主导的逆反射可在空间上分离；而双光束照明则实现反射–逆反射组合。d，利用《戴珍珠耳环的少女》元组装印刷图进行协同着色的实验演示，包括用于展示空间分布的扫描电子显微镜图像，以及在不同模式下拍摄的照片。比例尺：50 μm（d，左）；5 mm（d，中间两图和右图）。
总之，我们展示了一个统一的超材料平台，其具有可扩展的制造能力和多尺度结构可设计性 ，能够实现分层光学架构的定制化和低成本制造。所开发的元组件模型赋予了常见聚合物构 建块多尺度光学活性，在单个单元内实现了有效的光学耦合和协同着色。其简便的配置，结 合定制的卷对卷（R2R）-ANP协议，能够连续生产具有单像素分辨率的宏观元组件印刷品， 从而为光学超材料从实验室到工厂的转化提供了一条可行途径。此外，元组件印刷品能够更 直接地实现协同光学性能，同时具有出色的稳定性，因此在从信息安全到智能显示等实际着 色场景中具有巨大的应用潜力。总体而言，这种可印刷的元组件策略解决了光学功能与工程 性能之间的权衡问题，为多尺度光子学研究提供了关键见解。此外，将材料固有特性整合到 元组件模型中有望解锁更多有趣的功能。
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
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