人類對光的理解和操控能力是科技進步的重要標尺。三百多年前，牛頓利用三棱鏡將白光分解為七彩光帶，揭示了光的色散現象；二十世紀初，愛因斯坦提出光的波粒二象性理論，對光認知的深化，奠定了現代光學的基礎，推動著科技與文明的不斷發展。時至今日，科學家已不再滿足于“利用自然材料調控光”，而是希望通過人工從頭設計的幾何結構來獲得天然材料不具備的超常光學性質，即光學超構材料。
光學超構材料就像一塊精心編織的“光子織物”，通過調控結構單元的幾何參數與空間排布，可對光的透射、反射、散射、衍射等傳播行為以及相位、偏振等特性進行精準調控，從而實現光的色散、隱身、聚焦、全息成像等一系列天然材料無法實現的光學功能。然而，當前光學超構材料在研究與產業化應用進程中仍面臨諸多挑戰。其中，兩個典型的制約瓶頸：一是研究普遍局限于單一尺度結構，導致材料功能受限、性能調控維度不足；二是制備高度依賴光刻等精密加工技術，效率低、成本高、制備周期長，難以實現大規模、低成本制造，嚴重制約了實用化進程。
針對以上難題，中國科學院化學研究所宋延林研究員課題組、新加坡國立大學仇成偉教授課題組及合作者在多尺度光學超構材料規模化打印創制方面取得重要進展。研究團隊提出了打印多尺度光學超構材料的全新范式，實現了材料光學特性與結構設計的協同優化；自主研發出的卷對卷增材納米打印制造設備，突破了光學超構材料在低成本、個性化、高效量產難以兼顧的長期困境，實現了多尺度光學超構材料的大規模可控制備與精準集成，為多尺度超構材料研究及微納光子學應用開辟了新路徑。相關成果以“Printable meta-assemblies enable synergetic colouration”為題發表于Nature。中國科學院化學研究所李凱旋博士（現為新加坡國立大學博士后）和新加坡國立大學陳劍鋒博士（現為北京大學物理學院助理研究員）為論文的共同第一作者。中國科學院化學研究所宋延林研究員，李會增副研究員和新加坡國立大學仇成偉教授為論文的通訊作者。此外，該研究還得到了中國科學院理化技術研究所李明珠研究員、新加坡科技設計大學Joel K. W. Yang教授、復旦大學等單位的支持。
一、超構材料設計架構： 微納融合，多尺度協同
團隊所設計的多尺度光學超構材料如圖1a所示，他們創制出一種由周期性納米晶格構成的微米尺度半球形結構，該結構嵌入在柔性基材聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，通過協同光子晶格與光學界面的耦合作用，對多尺度下的光學傳輸行為進行精準調控。在納米尺度，周期性排布的納米顆粒，會激發光子帶隙（PBG）效應，由此實現波長選擇性反射，并賦予結構中心顯色。與此同時，在微米尺度，結構自帶的凹形光學界面可局域入射光沿曲面光路傳輸，驅動光場在結構邊緣發生多次反射干涉，進而產生邊緣顯色。由于多尺度光學效應，該結構在不同波長下呈現出選擇性增強。與此同時，全內反射效應帶來的相位延遲為體系引入偏振轉換能力，在正交偏振條件下可實現環形成像。相較于各類對照結構，該超構材料具備獨有的多尺度光學效應，且性能連續可調。
圖1：多尺度光學超構材料
二、超構材料規模化制備新范式： 卷對卷納米打印
根據所設計的超構材料架構，團隊發展了卷對卷增材納米打印制造策略并自主研發相應設備，突破了光學超構材料在低成本、規模化、個性化量產難以兼顧的長期困境，實現了多尺度光學超構材料的大規模可控制備與精準集成。該制備策略融合了高通量的按需噴墨打印、界面控制自組裝、嵌入式轉移、卷對卷剝離等關鍵步驟。首先，研究者將數字圖像轉化為打印圖案，圖案的空間排布、尺寸大小、顆粒密度均可按需自定義調控，實現單像素精度的精準定制。隨后借助噴墨打印技術，將聚苯乙烯（納米顆粒墨水精準沉積于疏水低粘附基底之上，構筑出穹頂型膠體光子晶體。待墨水干燥后， 納米顆粒會自發組裝，形成自帶綠色結構色的穹頂型膠體光子晶體結構。緊接著，在光子晶體表面涂覆PDMS預聚物，并通過熱聚合反應完成固化；此時穹頂晶體被穩定嵌入PDMS基體內部，通過交聯網絡形成一體化結構。最終，將PDMS薄膜從基底剝離并輥壓轉印后，結構的界面形貌由原本的穹頂形轉變為凹形，由此誘導超組裝結構生成，并激發出尺寸依賴的邊緣-中心協同顯色效應。原本單一綠色的打印圖案，由此衍生出豐富多變的結構色彩（圖2a）。從納米級構筑基元到宏觀大尺寸超構材料薄膜，該卷對卷打印技術跨越了7個數量級，實現了多尺度超構材料的低成本，規模化，高精度制備（圖2b）。
圖2：卷對卷納米打印多尺度光學超構材料
三、超構材料光學可設計： 多尺度可調
此外，憑借多尺度光學耦合效應，所制備的光學超構材料也具備豐富的多尺度光學可調性，這為結構色的定制化調控提供了簡潔高效的實現路徑。如圖 3 所示，當超構材料單元的晶格常數保持不變，而特征尺寸發生變化時，體系由于全反射傳輸路徑發生改變，使得材料邊緣色彩從藍色遷移到黃色，而中心區域色彩始終保持藍色，宏觀整體呈色隨之由黃綠輕微偏移至青色調。反之，在超組裝體尺寸固定，光子晶格常數從 220 nm 提升至 240 nm 時，光子帶隙發生改變，致使中心色彩產生顯著光譜紅移，邊緣色彩僅發生小幅微調，宏觀整體呈色也從青綠鮮明轉變為粉調。為完整闡明色彩響應與多尺度結構之間的定量對應關系，我們計算了不同結構參數下的中心色、邊緣色、整體呈色數據庫，并從微觀與宏觀雙尺度完成實驗成像表征，直觀建立了清晰的結構-呈色構效關系。實驗結果表明：中心色彩與光子晶格常數呈現明確的線性關聯，隨晶格常數的增大持續紅移；同時隨著超組裝體尺寸不斷增大，邊緣色彩逐步從藍、紫等短波色系，向橙、紅等長波色系過渡。由于中心與邊緣兩處的色彩變化共同主導體系整體呈色效果，該結構天然具備優異的多尺度可調屬性，最終實現寬波段覆蓋、高精度精細化的色散調控。
圖3：光學超構材料的多尺度可調性
四、高精度集成：多材料集成打印
除結構參數調控外，該體系還具備靈活的打印可調性。首先，通過調控超組裝體堆積密度，即可便捷調節體系反射光強；其次，可將不同晶格常數、尺寸的超構材料單元集成打印，實現多尺度高精度集成。如圖 4所示，采用高精度集成打印技術結合多種納米顆粒墨水，可將不同晶格常數的超構材料單元有序集成。此外，依托定制化逐層打印工藝，僅利用單一納米顆粒墨水，便可集成不同尺寸的超組裝體，簡易制備高精度彩色圖案。總而言之，本征結構調控與打印工藝調控的雙重優勢，賦予該超組裝體系全維度的色彩設計自由度，在定制化結構色應用方向展現出極大的發展潛力。
圖4：光學超構材料的高精度集成打印
五、總結與展望
這項成果體現了材料科學、微納光學與先進制造的深度交叉融合。所開發的卷對卷增材納米打印技術，讓光學超構材料的生產變得像印報紙、書刊一樣簡單高效，不僅徹底打破了高成本的技術壁壘，大幅提升了量產效率，還能通過按需打印，為每一個超構材料像素單元定制專屬的光學性質，從而為定制化微納光學研究開辟了全新思路。通過材料本征特性與人工結構設計協同優化，相信這項技術在光子信息、防偽成像、精密醫學傳感、綠色光子能源等關鍵領域，都將展現巨大的應用空間與產業化價值。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-026-10408-8
