拍一拍，拍出一篇ACS Nano！上海交大赵其斌、范同祥合作：革新光子晶体材料制造技术

结构色材料如珠光颜料、液晶和干涉涂层广泛应用于涂料、墨水、包装、建筑、通信和显示领域，然而其制造过程往往伴随着高成本、高能耗或有害废物的产生。这促使科研界对开发可持续、环保的替代材料产生浓厚兴趣。胶体组装的光子晶体因其低成本、低能耗和无污染特性而备受关注，但其商业应用仍受限于光学性能不佳、大面积均匀性差以及制造速度缓慢等挑战。实现纳米粒子在秒级时间内于米级区域组装成均匀结构，至今仍是一大难题。

上海交通大学赵其斌副教授、范同祥特聘教授合作提出一种创新方法：通过将胶体粒子嵌入适宜的基质材料中，并调控粒子体积分数，可将光子晶体的制造速度提升102至106倍，同时保持优异的光学性能。研究人员使用甘油、蜂蜜等常见材料，在手动拍打或每秒米级速度的卷对卷工艺中，通过振荡剪切快速形成具有90%高反射率的均匀光子晶体。仅需单次剪切振荡（0.05–0.5秒），即可形成高度有序的结构，而传统方法通常需要数千次振荡。相关论文以“Instant Photonic Crystals with a Flap”为题，发表在ACS Nano。

研究人员首先制备了由单分散聚苯乙烯（PS）微球嵌入聚乙二醇（PEG）、甘油、蜂蜜等基质中形成的“光子凝胶”。这些凝胶可轻松涂覆或印刷在纸张、塑料薄膜、橡胶垫等多种基材上。通过简单的振动、拍打或手指滑动，即可在瞬间诱导出面心立方晶体结构，并显示出尖锐的反射峰。图1展示了不同基质材料制备的光子凝胶及其所形成的光子晶体薄膜，颜色随微球尺寸变化从蓝色到红色可调。图2进一步演示了在纸张、光学磁盘等柔性基材上通过弯曲或拍打实现快速剪切组装的过程，显示出该方法在柔性电子与显示中的潜力。

图1：光子凝胶的制备及所得光子晶体薄膜 （a）从PS分散液到PEG基光子凝胶，最终得到光子晶体薄膜的制备流程；（b）不同基质材料的粘度及其对应的光子凝胶样品；（c）使用约200 nm PS球体在不同基质中剪切组装的光子晶体薄膜（左），以及不同尺寸球体所形成的颜色变化（右）；（d）左：SiO₂球体与ETPTA基质组成的光子凝胶；中：紫外固化后的SiO₂–ETPTA光子晶体薄膜；右：SiO₂–ETPTA薄膜表面的Si元素分布图。

图2：光子晶体薄膜的快速剪切组装 （a）左：通过涂覆-层压将光子凝胶直接施加于不同基材；右：无需辊压即可进行剪切过程，红色箭头表示剪切方向与应变；（b）甘油凝胶与先前聚合物蛋白石在不同剪切振荡次数下的反射光谱对比；（c）PEG凝胶涂层样品的快速剪切有序化过程；（d）通过简单动作实现光子凝胶的剪切有序化；（e）左：涂覆在纸条上的光子凝胶；中：弯曲纸张后迅速形成光子晶体涂层；右：从光学磁盘上释放的独立光子凝胶薄膜，显示光子晶体颜色与光栅色彩。

粒子体积分数（φ）对剪切组装行为具有关键影响。如图3所示，随着φ从50%增至60%，PEG凝胶的结晶能力非线性增强，剪切应变范围扩大，晶体含量显著提高。图4通过小角X射线散射分析揭示了粒子间距随φ增加而减小，解释了其增强的受限效应与扩散抑制机制。此外，基质粘度也显著影响组装效率：在最佳粘度范围（0.01–1 Pa·s）内，如甘油凝胶在低应变下即可实现高反射率，而高粘度基质如麦芽糖则需要更大应变才能诱导结晶（图5）。

图3：粒子体积分数（φ）对PEG凝胶剪切有序化的影响 （a）左：不同φ的块状PEG凝胶；右：φ∼50%的PEG凝胶在 Petri 皿中薄层铺展的不同状态；（b）左：不同φ的PEG凝胶在不同剪切应变下的反射光谱；右：各φ下不同应变所获得的晶体含量；（c）在不同速度和不同尺寸辊轴上制备的样品的反射光谱。

图4：PEG凝胶的结构表征及φ调控剪切有序化机制 （a）不同φ块状PEG凝胶的SAXS图案；（b）随机堆积粒子间距随φ增加的示意图；（c）从SAXS图案提取的径向强度分布；（d）随φ增加的粒子间距相对变化；（e）长时自扩散系数随φ的相对变化；（f）不同φ与剪切应变下剪切有序化PEG凝胶的SAXS图案。

图5：使用不同基质材料的剪切有序化 （a）左：相同φ∼50%下不同基质材料剪切有序化后的反射光谱；右：不同应变下获得的晶体含量；（b）上：φ∼50%麦芽糖凝胶的SAXS图案；中：不同基质材料在φ∼50%时的径向强度分布；下：相同φ下不同基质材料的粒子间距相对变化；（c）φ∼50%与56%甘油凝胶在不同应变与振荡次数下的反射光谱；（d）涂层温度与对应粘度下甘油与蜂蜜凝胶的反射峰强度；（e）φ∼50%标准光子凝胶样品在剪切前边界有序层数的粗略估计。

晶体结构与生长过程通过透射电镜和SAXS进行详细表征。图6与图7显示，在较小应变下，晶体从边界向非晶区域缓慢生长；而在较大应变下，样品迅速形成多晶结构，尽管存在更多堆叠缺陷。研究人员还发现，通过调控基质组成（如添加PEGDA），可进一步优化粒子间距与结晶性能，提升光学响应速度与质量。

图6：晶体生长与结构演化 （a）φ∼56% P–P凝胶在不同剪切应变下的反射光谱与晶体含量；（b）剪切有序化光子凝胶的SAXS图案显示fcc结构；（c）对应样品的TEM图像显示晶体结构。

图7：剪切下结构的演化 （a）φ∼56% P–P凝胶在γ∼30%、80%和300%剪切应变下的横截面TEM图像；（b）对应样品的SAXS图案；（c）从透射光谱与TEM图像获得的晶体含量随振荡次数的变化；（d）左：晶体从边界生长时非晶区域应变变化的模型；右：应变γ与粘度η对剪切结构影响的示意图。

该研究将复杂的胶体剪切组装机制转化为易于控制的参数——粒子体积分数、基质粘度及其他物理性质，为可扩展、低排放的纳米粒子组装材料制造提供了实用指导。甘油等常见材料在调整这些因素后展现出优异的剪切结晶能力，其组装速度远超沉积、浸涂等传统方法。这一技术不仅适用于结构色涂层、纺织品和辐射冷却材料，还有望推动光子学、等离子体学和软物质领域的创新应用。未来，通过进一步探索基质与粒子的相容性，该方法有望实现更广泛的材料组合与更高效的生产工艺。