Nature!可打印超结构|协同显色|卷对卷制备

论文标题：可打印超组装实现协同显色

DOI：10.1038/s41586-026-10408-8

一句话摘要：研发卷对卷可打印超组装结构，耦合光子禁带与全反射效应，实现大面积、高稳定、多色调协同结构色。

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研究动机：痛点→创新思路

01

核心痛点

1. 传统染料有毒、易褪色、不环保。
2. 人工结构色难以实现多尺度协同光学。
3. 微纳加工成本高、无法大面积量产。
4. 单一光学机制导致色彩单调、可调性差。

创新思路

1. 提出超组装（meta-assembly）新策略。
2. 耦合纳米光子禁带（PBG）+微米全反射（TIR）。
3. 开发卷对卷增材纳米打印（R2R-ANP）。
4. 实现米级大面积、单像素定制协同显色。

图1. 打印创制多尺度光学超材料。（a）多尺度超材料基元结构设计示意图；（b）基元结构在不同波长光作用下的场强分布；（c）打印创制超材料的制备流程和结构表征；（d）自主研发的卷对卷纳米集成打印装置示意图及打印结果

       

设计原理：机制→关键数据

02

1. 三层结构设计

1. 纳米单元：PS纳米球（180–240 nm），六方密堆。
2. 微米形貌：PDMS基凹面结构。
3. 界面：纳米晶格+微凹面光学界面。

2. 双光学机制

• 中心：PBG选择性反射，决定中心色相。

• 边缘：TIR多束干涉，决定边缘色相。

• 协同输出整体混合色。

3. 制备关键参数

• 油墨：甲酰胺基PS胶体墨，黏度3.84 mPa·s。

• 基底后退接触角：80–110°最优。

• 产量：100%转化，超4000万单元/米级。

• 跨度：纳米→宏观7个数量级。

图 2 | 规模化元组装打印的原理

       

性能突破：数据→优势

03

1. 色彩调控能力

• 纳米球直径：180→240 nm，中心色蓝→红连续调。

• 微单元直径：14→26 μm，边缘色蓝→橙连续调。

• 支持RGB混色，可打印全色域图案。

2. 量产能力

• 速度：卷对卷连续制造。

• 面积：1.2 m×0.4 m，含7×10¹³颗粒。

• 分辨率：403225 DPI，单像素定制。

3. 超高稳定性

• 光照：UV 24h不褪色（染料完全褪色）。

• 温度：−18℃~240℃性能不变。

• 耐溶剂：水/酸碱/乙醇/己烷浸泡24h稳定。

• 耐洗涤：洗衣机150分钟无衰减。

• 力学：拉伸200%，弯折万次稳定。

       

光学机理：清晰分工

04

1. 中心显色：光子禁带（PBG）

1. PS纳米球周期排列形成光子晶体。
2. 特定波长选择性反射。
3. 颜色由纳米球直径唯一决定。

2. 边缘显色：全反射干涉（TIR）

1. 凹面界面将光局域束缚。
2. 多次反射产生光程差干涉。
3. 颜色由微凹面尺寸决定。

3. 协同效应

• PBG与TIR场增强与模式竞争。

• 中心色角度不敏感。

• 边缘色角度可调。

• 单结构实现双模式、双色调。

       

总结：突破、贡献与价值

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一句话定位突破性

首次构建纳米–微米跨尺度超组装，将光子禁带与全反射光学协同，实现可打印、大面积、超稳定结构色。

核心贡献

1. 提出超组装协同显色新原理，突破单一光学机制限制。
2. 发明R2R卷对卷打印技术，实现米级结构色量产。
3. 建立纳米尺寸+微米形貌双参数精准调色体系。
4. 实现耐光/耐热/耐溶剂/耐洗/耐拉伸五高稳定。

应用价值

1. 替代染料，用于环保印染、绿色显示、安全印刷。
2. 应用于智能可视化、信息加密、防伪标识。
3. 为多尺度超材料、柔性光子器件提供量产新路线。