复旦大学，重磅Science！

光子晶体薄膜量产终成现实！

自组装是构筑复杂功能材料的核心途径，然而将无序的胶体颗粒快速、大规模地转变为高度有序的光子晶体结构，尤其在环境条件下，一直是一个巨大的科学和工程挑战。传统的自组装过程，无论是蒸发诱导还是剪切诱导，都受限于能耗高、耗时长、或所得材料光学与机械性能难以兼得等问题，形成了“组装速率—光学性能—机械性能”的三角权衡困境，严重制约了光子晶体从实验室走向工业应用。

鉴于此，复旦大学汪长春教授与剑桥大学Oren A. Scherman教授受自然界中生物系统（如硅藻利用小分子介导快速构筑有序结构）的启发，创新性地提出了一种“单体介导”的胶体组装策略。该策略的核心在于，向核壳结构的微球体系中引入低分子量的功能性单体作为介质，这些单体能够有效降低体系初始自由能并削减组装能垒，从而在室温、无模板条件下，于数秒内通过剪切诱导实现胶体颗粒从无序到高度有序的快速转变。后续通过原位紫外光固化，将这些有序结构锁定在坚固的聚合物基体中，最终制得了兼具高光学质量和优异力学性能的大规模胶体光子晶体薄膜。该成果为光子材料的工业化生产开辟了全新路径。相关研究成果以题为“Monomer-biased manufacture of industrial-scale colloidal photonic films”发表在最新一期《science》上。

Science编辑评论：有序胶体结构的自组装使得构筑光子结构色材料成为可能，但大规模制备仍面临巨大挑战。复旦团队报道了一种创新的单体介导策略，可实现胶体光子晶体薄膜的快速、工业化规模制备。引入低分子量功能性单体可改变体系的自由能景观和组装路径，从而在环境条件和无模板条件下，使胶体颗粒在剪切作用下快速有序化。作者展示了胶体聚集体在环境条件下、无需模板、10秒内即可转变为长达4000米的光子晶体薄膜的无序-有序转变过程。 ——Marc S. Lavine

【自组装过程与微观机制】

该工作的核心在于揭示了单体介导组装的微观机制。研究者们发现，单体作为介质，其关键作用在于调控微球壳层聚合物链间的相互作用。分子动力学模拟表明，当壳层中存在氢键时，链间相互作用过强，链段运动能力受限，体系呈现不利于组装的弹性固态特征。而引入适量单体（如25 wt%的4-羟基丁基丙烯酸酯和二乙二醇二甲基丙烯酸酯混合物）后，单体分子通过溶剂效应和氢键作用插入壳层链间，削弱了链间相互作用，显著提升了聚合物链的运动能力。流变学测试结果清晰地显示，此时体系损耗因子（tanδ）接近1，进入了一种兼具流动性和弹性的特征粘弹态（图1E）。这种状态被认为是实现快速剪切诱导有序的最佳窗口：流动性保证了剪切动量有效传递，而弹性则确保了剪切移除后体系能够发生动态重构，驱动微球排列成有序结构。反射光谱和扫描电镜图像证实，只有处于该粘弹态的体系才能展现出尖锐的反射峰和规整的密堆积排列（图1D，图1F），有力地支撑了该机制的合理性。

图表 1 单体导向的胶体组装过程及其机制概述

【工程操作】

在机理明晰的基础上，研究团队成功将该策略应用于工业级生产。他们通过半连续种子乳液聚合法，在吨级反应器中合成了高固含量（47 wt%）、粒径均一的彩色核壳微球。随后，利用定制的卷对卷工业涂布线，实现了胶体光子晶体薄膜的连续化制造（图2A）。该生产线速度为25米/分钟，整合了涂布、干燥、剪切取向、紫外固化和收卷全流程。在制膜过程中，含有单体的浆料经微凹涂布于聚对苯二甲酸乙二醇酯基底上，水分蒸发后，单体介质使体系进入室温结晶窗口；后续的辊压弯折过程则提供了足够的剪切力，驱动聚苯乙烯核在聚合物基质中实现有序排列（图2B）。有限元分析模拟表明，15微米厚的薄膜在弯折过程中能承受更大应变且剪切力衰减最小，有利于内部有序结构的形成和透明度的提升（图2D）。最终，该生产线可稳定生产长达4000米、宽达1.3米的彩色光子晶体薄膜（图2E，图2F，图2G）。以蓝色薄膜为例，其光子带隙强度达63%，半高宽仅21纳米，且在带隙外平均透光率超过90%，显示出卓越的光学性能（图2H）。

图 2 在室温下进行的高通量胶体工程操作，用于制备工业级 3D 光子晶体薄膜

所制得的胶体光子晶体薄膜不仅光学性能优异，还展现出独特的机械性能和功能集成潜力。其“三明治”夹层结构赋予了薄膜出色的力学鲁棒性、柔韧性和快速自愈合能力。

图 3 工业级 3D CPC 结构色薄膜的机械性能

【应用场景】

进一步地，研究团队展示了其多功能应用场景：将光子晶体薄膜作为表面层应用于商用光伏板，由于结构色薄膜对特定波段光的反射增强效应，可以显著提升太阳能电池的短路电流密度和光电转换效率，并赋予光伏板绚丽的色彩（图4A-C）；此外，将这种薄膜与运动胶带结合，制备了结构色肌内效贴（图4D）。这种贴带在拉伸时，光子带隙会发生可逆的蓝移，同时反射强度降低，实现了力学信号的可视化传感（图4E, 图4F）。更有趣的是，该薄膜对溶剂刺激也具有响应性，在不同溶剂（如水或乙醇）中会因溶胀而发生颜色变化（图4G, 图4H），展示了其在传感领域的应用前景。

图 4 胶体结构色薄膜的应用案例

【总结】

总结而言，这项研究报道的单体介导策略，通过精确调控胶体体系的粘弹性力学状态，巧妙地绕过了传统自组装中的高能垒障碍，首次实现了在环境条件下、数秒内完成胶体光子晶体薄膜的快速有序化构建。该工作不仅解决了光子晶体从实验室走向工厂的关键技术瓶颈，成功制备了米级幅宽、千米级长度的优质薄膜，更开拓了其在光伏增效、智能传感和软物质工程等前沿领域的广阔应用前景。这一方法有望为未来各向异性或更复杂结构单元的大规模、精准有序组装提供全新思路和坚实的工业基础。