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。
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”。
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。
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。
复旦大学高分子科学系博士后李华腾为论文的第一作者，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，复旦大学为第一单位。复旦大学高分子科学系李卫华教授，温州大学杨俊英副教授，光驭科技有限公司田丰博士，复旦大学高分子科学系的赵国伟博士、黄翰闻博士、陈露露博士、博士生蓝若骐以及剑桥大学Jade A. McCune博士参与了本课题研究。该研究得到了国家自然科学基金重点项目和创新研究群体项目，国家重点研发计划，上海市“科技创新行动计划”启明星项目（扬帆专项）和广东省重点领域研发计划项目的支持。剑桥大学Oren A. Scherman教授得到了聚合物分子工程全国重点实验室高级访问学者基金的支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed8723