从“砖头砌墙”到4000米卷材：上海科学家让结构色材料从实验室跑进生产线

来源：滚动播报

（来源：上观新闻）

长期以来，结构色材料因鲜艳、耐久、环保被视为下一代防伪、织物、涂层等领域的重要材料。但如何让产生结构色的胶体粒子快速、有序组装，并实现连续化、规模化制造始终是制约其应用的关键难题。

北京时间9月4日凌晨，复旦大学高分子科学系汪长春教授团队在《科学》（Science）期刊发表题为“Monomer-biased manufacture of industrial-scale colloidal photonic films”的研究成果，提出单体介导的胶体粒子组装策略，发展出适配工业规模的组装路线，实现结构色材料从实验室样品到千米级连续制造的跨越，为其走向防伪标识、智能织物、功能涂层等产业化应用打开新路径。

01 让颜色直接从材料的微观结构里“长”出来

提到颜色，很多人的第一反应是“油墨”“油漆”“涂料”。这类传统颜料大多依靠复杂化学分子显色，其生产过程往往伴随污染物排放，使用久了还会掉色、刮花，拉扯后色彩还容易斑驳脱落。

而团队研发的则是另一种色彩解决方案：让颜色直接从材料的微观结构里“长”出来。

这一“神奇”的材料，就是胶体光子晶体。它是由胶体粒子在空间中周期性排列形成的一类有序材料。通俗来讲，胶体光子晶体由均匀的小球组装而成。这些小球就像一块块“砖头”，整齐堆叠，码成一面“墙”，白光照射上去，墙体便会反射出特定波长的光；反射什么颜色，由小球大小决定。这种由微观结构产生的颜色，称作结构色。

胶体光子晶体结构原理示意图

但如何把“无序分散”的胶体小球组装成“高度有序”的结构，是一道难题。而且，在室温条件下，组装过程往往非常缓慢，难以满足快速、稳定、连续的工业化加工要求。

经过反复实验，团队提出了“单体介导组装”创新技术，破解了这一困局。

研究发现，将适量的介导单体加入胶体粒子体系后，原本杂乱分散粒子的排列仿佛被按下了“快进键”，在剪切作用下，数十秒内就可形成高度有序的胶体光子晶体结构。

单体和小球，就像是“水泥”和“砖块”。在聚合前，单体先作为介导分子“引导”小球组装，同时调控小球间的作用力、体系黏弹性，使小球们保持均匀分散的状态。组装完成后，单体进一步通过光聚合形成长链或三维聚合物网络，将已经成型的有序结构固定下来，让“砖块砌成的墙”变得更结实、稳定。

该技术方案适配性广泛。研究发现，苯乙烯和多种丙烯酸酯类单体均能够有效介导胶体粒子的快速组装。有机微球、无机微球、核壳微球以及有机-无机杂化微球等不同材料，都可以使用该技术在室温下快速形成光子晶体结构。

单体介导组装策略的技术优势

长期以来，在胶体光子晶体体系，存在一个“不可能三角”（又称“魔鬼三角”），即光子晶体的制备速度、光学性能、力学性能，三者无法同时兼顾：想要快，内部小球排列质量可能下降；想要光学效果好，组装时间就拉长；想要材料结实，又会影响组装过程中小球有序排列。

汪长春介绍，在单体介导组装方法中，介导单体触发了多个节点组装性能的跃升，贯穿整个组装过程，获得了“一石三鸟”的协同增强效果。也就是该技术能使单分散小球室温下数十秒内完成高质量组装，并可在光引发下快速聚合定型，还能通过单体种类调控材料最终性能，造出可刚可柔、亲水或疏水的胶体光子晶体薄膜。

团队把“不可能”，变成“可能”。

02 从实验室样品，到千米级产品

对材料技术而言，实验室成功并不等于产业化成功。很多难题即使在实验室里解决了，也不一定能进入工业化。但只有工业化成功，才能让材料真正“有用”。

因此，团队在一开始设计实验路线时，就将工业化落地纳入考量。

团队与光驭科技有限公司等业界伙伴开展合作，选用聚合物核壳微球为模型，将单体与微球乳液均匀混合，并进一步开发了集涂布、干燥、剪切组装、紫外光固化和收卷于一体的卷对卷连续制造工艺。

工业级胶体光子薄膜制备示意图

单体与微球这种相互依存的特殊状态，能同时满足工业化生产的两大核心需求：无外力剪切时，材料体系稳定性强，能抵御产线加工过程中的各类扰动，减少颗粒结块、气泡、薄膜开裂等缺陷；施加剪切外力后，胶体颗粒又具备充足活动空间，在常温下快速移动、规整排列，形成有序结构。

待颗粒排布完成，再通过紫外光引发单体聚合，固定结构。由此，这套工艺实现了胶体粒子的稳定分散、快速有序组装、结构固化的三道关键工序，并在产线上一体化高效完成。

“工业化很重要的一点就是效率高，具备成本优势。”汪长春说。基于这一方法，团队以25米/分钟的速度，连续制备出长4000米、宽1.3米、厚15微米的胶体光子晶体薄膜。成品薄膜色彩鲜亮通透，只需更换不同粒径的胶体微球，就能批量制备出各种颜色的结构色薄膜，粉碎后就可以得到光子晶体颜料，充分证明该技术的工业潜力。

工业级胶体光子薄膜制备过程与光学性质

团队制备的胶体光子晶体薄膜，为兼顾视觉设计与功能发挥提供了新的解决方案。

彩色光伏板是一个直观例子。目前，许多光伏板呈现黑、蓝色外观，而这款薄膜可以实现多色彩调控，推动光伏器件与建筑幕墙、公共设施等生活场景一体化融合，让城市更“美”好。

在更广阔的应用中，胶体光子晶体薄膜和颜料可以用于防伪商标、炫彩车衣、低能耗显示、可视化感知、光信息传输以及柔性可穿戴器件等各种与颜色相关的领域，由终端厂家继续转化成不同的产品。

03 把“不可能”，一遍遍做成可能

创新突破往往不是突然出现的，而是从研究团队长期的积累、转向和融合中生长出来的。

最早，团队做的是一颗颗几十纳米、几百纳米的小球，要做到尺寸尽可能一致。后来，他们又尝试在小球里加入不同功能，比如磁性、发光等，让这些小球拥有更多功能。研究路径由此延展：先把小球做均匀，再赋予功能，再尝试操控它们，最终把它们组装成晶体。

在汪长春看来，科研中最大的困难是如何突破摆在面前的“不可能三角”，然后解决从实验室走向工业化放大过程中面临的巨大挑战。在问题没有解决之前，会觉得“非常非常难”；一旦找到路径回头再看，似乎又“也不是那么难”。这也是许多科研人的真实画像：在没有答案的时候愿意坚持尝试，享受探索过程的快乐。

谈到为什么要挑战“不可能三角”时，汪长春说：“科研就是要有挑战困难的兴趣和勇气，就是要找重要的、难做的、觉得不可能的问题，或者是做出世界上未出现的第一个产品。”

未来，团队还将围绕胶体光子晶体的功能展开探索，例如让颜色用于显示温度、湿度，作用力、或与防晒等特定功能结合；同时，也要探索基本科学问题，例如：几百纳米微球的结晶（组装）与小分子结晶到底有何区别？现在的组装在薄膜内，是不是可以实现块体内的高效组装？现在的组装可以在几十秒内完成，未来能否进一步缩短？

颜色，是这项研究最先被看见的部分。但在颜色背后，是一套关于结构、速度、强度和产业化的系统回答。团队正在走的，正是这样一条把科学原理带向现实现场的路。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed8723