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當第一次看到孔雀羽毛時，很多人都會讚歎於那種奪目的絢麗，那是一種人類無法複製的自然之美。無法複製，但卻可以借鑑。這不，在電子科技大學基礎與前沿研究院崔家喜教授的一篇論文裡，就出現了孔雀羽毛的圖案。

（來源：Nature Communications）

除了孔雀，自然界的許多生物體和礦物質，都具有豐富的顏色。根據顏色產生機理的不同，可將其分為色素色和結構色兩大類。

以染料和顏料為代表的色素色，來源於其分子內特定髮色基團對可見光的選擇性吸收；而結構色則來源於物理結構對光的調製作用， 包括衍射、干涉以及散射等物理效應。

基於結構色無毒、環保且視覺效果栩栩如生的優勢，其在機械感測、柔性顯示、光學塗層和防偽材料等領域具有廣泛的應用前景。

在大自然裡，結構色的生色方式主要以光子晶體結構生色為主。受光子晶體結構色研究熱潮的鼓舞，人工製備光子晶體材料吸引了科學家們極大的興趣。

目前，涉及人工製備光子晶體材料的關鍵技術，在於製備各種複雜、有序的週期性奈米結構。然而，精細的加工工藝、高額的加工成本和極高的合成水準限制了它的發展。

此外，在應用實踐中，比如化妝品、服裝、安全、生物分析、感測器、電器和汽車等領域，多色圖案化是十分必要的。因此，對結構色材料進行圖案化可大大提升其附加值。

然而，現有所獲結構色圖案往往不穩定、解析度低，可控性較差，同時伴隨材料脆、不能後加工等問題，與天然的結構色材料亦形成鮮明對比。

（來源：Nature Communications）

所以，透過開發簡單的方法，來製造顏色鮮豔、效能可控的結構色多色圖案化材料，具有十分重要的意義。

據介紹，該團隊是最早研究生長材料的課題組之一，近年來一直致力於解決生長材料目前存在的生長次數受限、調控不靈活等問題。

但是，目前可用的生長系統僅擁有簡單的聚合物基質，與自然界生物體中觀察到的精細、有序的複合結構相比相去甚遠。

為此，課題組透過查閱大量文獻，找到多個與生長材料、結構色領域相關的方向，最終確定了具體的研究方案。同時，探尋了需要用到的原材料和生長材料中種子樣品的製備方案。

接著，他們摸索並改進了適用於生長方案的種子的製備條件，藉此製備出不同的種子樣品。然後，研究團隊嘗試將所設計的基於光聚合和酯交換耦合反應的光誘導聚合策略，用於種子樣品的生長。經過多次嘗試，得到了顏色由紫到紅的各類生長樣品。另外，對於這些生長樣品的形貌、光學效能等，他們也進行了表徵。

（來源：Nature Communications）

隨後，課題組探索了生長樣品的力學效能，經過摸索之後賦予了生長樣品力學效能的可控性。最後，他們利用光的時空可控優勢，製備了非均勻輻射的多種多色影象/圖案化產品。

圖 | 崔家喜（來源：崔家喜）

而在探討孔雀小尾羽枝的微納結構過程中，該團隊遇到了些許困難。對於購買得到的孔雀尾羽，一直不清楚其小羽枝的橫斷面形貌如何獲取。這導致在前期研究中，始終無法獲得孔雀小尾羽枝的微納結構。

後來經過與拍攝掃描電鏡老師的多次探討，才逐漸掌握了獲取小羽枝的橫截面的技巧。而由於孔雀小羽枝的羽毛太過細小，研究人員在尋找橫斷面時經常容易“空切”樣品，經過多次嘗試後才得到了孔雀小尾羽枝的微納結構。

同時，由於電子科大位於四川，川劇是當地的傳統戲劇，他們還以此為靈感做了一個川劇臉譜的圖案。

（來源：Nature Communications）

近日，相關論文以《具有可程式設計顏色和機械效能的自生長光子複合材料》（Self-growing photonic composites with programmable colors and mechanical properties）為題發表在

Nature Communications

上，Juan Xue 是第一作者，崔家喜擔任通訊作者。

圖 | 相關論文

（來源：

Nature Communications

）

具體來說，該研究解決了結構色領域內現存在的一些不足。對於製造顏色鮮豔、效能可控的結構色多色圖案化材料，此次成果具有十分重要的意義。

同時，對於拓展人工製備光子晶體材料的應用領域也是一種積極的嘗試，尤其是給柔性感測、智慧顯示器件等領域的深入應用提供了一種新的可能。

此外他們發現，透過酸解纖維素獲得的奈米微晶纖維素，是一種理想的光子晶體原料。奈米微晶纖維素是一種高度結晶的天然聚合物，其形貌呈奈米針狀，在靜電作用下可以自組裝形成膽甾型液晶。

透過選擇性反射波長與其螺距相匹配的圓偏振光，奈米微晶纖維素可形成絢麗的虹彩結構色。當溶劑充分揮發後，其自組裝形成的液晶結構色可被保留在自支撐膜中。

基於此課題組認為，奈米微晶纖維素是最有前景的結構色構築材料之一，尤其在防偽塗料、液晶材料、生化感測和顯示器件等領域有較高的研究價值。

在後續研究中，他們希望對奈米微晶纖維素結構色膜實現如下構想：即通過後加工處理的方式，對調控結構色進行精確調整。具體來說，研究組擬採用基於光聚合和酯交換耦合反應的光誘導聚合策略，來構築基於奈米微晶纖維素光子晶體的自生長虹彩彈性體。

參考資料：

1。Xue， J。， Yin， X。， Xue， L。 et al。 Self-growing photonic composites with programmable colors and mechanical properties。

Nat Commun

13， 7823 （2022）。 https：//doi。org/10。1038/s41467-022-35555-0

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