江苏
自然界中，蝴蝶翅膀的斑斓色彩、孔雀尾羽的金属光泽、甲虫外壳的幻彩变化，并非来自色素，而是微观结构对光的精准操控 —— 这种 "结构色" 的背后，是光子晶体的有序组装。然而，要在工业生产线上快速、大面积地复制这种自然之美，却是困扰材料学界近四十年的难题。
2026 年 9 月 3 日，复旦大学高分子科学系汪长春教授和剑桥大学Oren A. Scherman教授为论文的共同通讯作者，在全球顶级期刊《Science 》表题为 "Monomer-biased manufacture of industrial-scale colloidal photonic films" 的研究论文，提出一种 "单体介导" 的胶体组装新策略，在室温、无模板条件下利用卷对卷工艺实现光子晶体薄膜的工业级连续化生产。论文第一作者为复旦大学博士后李华腾。复旦大学为本文的第一完成单位。
自然界中的复杂功能，往往源于简单构建单元的有序组装。一颗胶体微粒本身并无特殊，但当成千上万颗微粒以特定方式排列，就能产生光子带隙，选择性地反射特定波长的光，呈现出绚丽的结构色。道理虽简单，实现却异常困难。在快速环境条件下将胶体聚集体转化为工业级光子晶体，长期面临两大障碍：一是高能垒，胶体粒子从无序状态跨越到有序排列需要克服巨大的能量障碍；二是有限的组装控制，在快速生产过程中难以精确调控粒子的排列过程，稍有不慎就会产生缺陷，导致色彩不均、性能下降。正因如此，光子晶体的实验室成果虽多，真正能走向工业生产线的却寥寥无几。
胶体光子晶体结构原理示意图
面对这一挑战，联合团队从生物系统中汲取灵感，提出了全新的 "单体介导" 胶体组装策略。其核心思路是引入低分子量功能单体作为 "分子介体"，通过与胶体粒子的相互作用，巧妙地将整个系统的粘弹性调控在一个 "类凝胶" 的临界区域。这一临界状态的设计极为精妙：粘弹性太低，胶体粒子容易自由流动，难以固定成有序结构；粘弹性太高，粒子又被牢牢锁住，无法重排。而 "类凝胶" 临界区域恰好处于两者之间 —— 粒子既有足够的流动性进行有序排列，又能在排列完成后迅速固定结构。正是这一巧妙的粘弹性调控，使得胶体粒子能够在室温、无模板的条件下，自发地从无序状态快速转变为高度有序的光子晶体结构。
在此基础上，研究团队进一步将 "单体介导" 策略与工业卷对卷工艺结合，实现了光子晶体薄膜的连续化、高速生产。在卷对卷生产线上，胶体涂覆层仅需 10 秒即可完成从无序到高度有序的转变 —— 这一速度在光子晶体制备领域前所未有，传统方法往往需要数小时甚至数天的缓慢蒸发或外力诱导。最终，研究团队成功制造出长达 4000 米、宽 1.3 米、厚度仅 15 微米的柔性光子晶体薄膜，同时兼具高亮度结构色、超过 90% 的高透明度和优异的力学性能。4000 米的长度相当于近 40 个标准足球场首尾相连，1.3 米的宽度覆盖了大多数工业涂布生产线的幅宽，而 15 微米的厚度则保证了薄膜的柔软性和透光性，可应用于智能窗、显示屏覆盖层、柔性可穿戴光学传感器等多种场景。
工业级胶体光子薄膜制备示意图
这项研究的意义，远不止于制造出了一卷长薄膜。长期以来，光子晶体结构色技术被认为在显示、防伪、传感、装饰、能源等领域具有广阔的应用前景，然而制造瓶颈始终是横亘在实验室与产业化之间的一道鸿沟 —— 无法大面积、快速、低成本地生产，再好的性能也只能停留在论文和样品阶段。"单体介导" 策略不需要高温、不需要模板、不需要复杂设备，仅通过调控胶体系统的粘弹性，就能在标准卷对卷生产线上实现光子晶体的连续化制造，这意味着现有工业涂布生产线经过简单改造即可投产。正如研究团队所指出的，这一技术为结构色材料从科学探索走向规模应用建立了可行性路径，困扰产业界近四十年的制造瓶颈，终于迎来了突破性的解决方案。
编辑、审核：胡大可
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