什么(me)是光(guang)(guang)學超材料？我們(men)知道，光(guang)(guang)在一定條件下可以變化出不(bu)同的色(se)彩，那么(me)，這(zhe)些不(bu)同顏色(se)的光(guang)(guang)能不(bu)能被人(ren)類利用到生產生活中(zhong)呢？光(guang)(guang)學超材料就(jiu)是人(ren)類第一次(ci)真正(zheng)意義上(shang)精確“設計光(guang)(guang)”，它通(tong)過人(ren)工從頭設計的幾(ji)何結(jie)構來(lai)獲得(de)天然材料不(bu)具備的超常(chang)光(guang)(guang)學性質。這(zhe)類材料是下一代光(guang)(guang)電子、通(tong)信、成像的核心底(di)層技術，尤其對高端(duan)制造及能源領域(yu)至關(guan)重要。
然而(er)，光(guang)學超(chao)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)生(sheng)產(chan)技術(shu)門檻很高，也成為制約其規(gui)模化量產(chan)的(de)主(zhu)要障礙。北京時間4月22日晚，國際(ji)學術(shu)期刊《自然》發表了光(guang)學超(chao)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)突破(po)性研(yan)究成果。中國科學院化學研(yan)究所(suo)與新加坡國立(li)大學合作的(de)科研(yan)團隊(dui)，自主(zhu)研(yan)發出(chu)的(de)卷(juan)對卷(juan)增材(cai)(cai)(cai)納米打印制造設備，實現了多尺度光(guang)學超(chao)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)大規(gui)模可控制備與精準集成，讓(rang)超(chao)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)生(sheng)產(chan)“像(xiang)印報紙一樣簡單(dan)”。這是項怎樣的(de)技術(shu)？它(ta)將如何改變(bian)超(chao)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)生(sheng)產(chan)和應用？
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如果你也曾(ceng)被自(zi)(zi)然(ran)(ran)(ran)界蝴蝶翅膀的(de)(de)綺麗所(suo)驚(jing)艷，是(shi)否好奇過(guo)它(ta)為何能(neng)綻放出這般絢爛的(de)(de)色彩？蝴蝶鱗片，正是(shi)大(da)自(zi)(zi)然(ran)(ran)(ran)所(suo)孕育的(de)(de)一種(zhong)(zhong)經典光學(xue)超(chao)材(cai)料(liao)(liao)(liao)。光學(xue)超(chao)材(cai)料(liao)(liao)(liao)就像一塊(kuai)精(jing)心編織的(de)(de)“光子織物(wu)”，通過(guo)調控(kong)結構(gou)單元的(de)(de)幾何參(can)數與(yu)(yu)空間排布(bu)，它(ta)能(neng)突(tu)破傳統材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)物(wu)理(li)極(ji)限(xian)，實(shi)現天(tian)然(ran)(ran)(ran)材(cai)料(liao)(liao)(liao)無法(fa)實(shi)現的(de)(de)光學(xue)功能(neng)。這種(zhong)(zhong)材(cai)料(liao)(liao)(liao)正在成像、計算(suan)、通信和能(neng)源等多個領域推動著技術(shu)變革。然(ran)(ran)(ran)而，中國科學(xue)院化學(xue)研(yan)究(jiu)所(suo)研(yan)究(jiu)員宋延(yan)林(lin)介(jie)紹，這類材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)研(yan)究(jiu)與(yu)(yu)應(ying)用面(mian)臨(lin)局限(xian)于單一尺度結構(gou)、高度依賴光刻等精(jing)密加工技術(shu)的(de)(de)制約，難以實(shi)現大(da)規模、低成本制造，嚴重(zhong)制約了實(shi)用化進程。
宋延林：如果我們只能做出單(dan)一(yi)尺度的(de)(de)微納結構，它可能呈現的(de)(de)就(jiu)是(shi)單(dan)一(yi)的(de)(de)性質(zhi)，顏色(se)來講，它可能就(jiu)呈現單(dan)一(yi)的(de)(de)顏色(se)，但是(shi)我們希望(wang)做到集成(cheng)，各(ge)個波段的(de)(de)光(guang)我都能夠精確(que)地控(kong)制。但是(shi)這樣對傳統的(de)(de)比如說光(guang)刻(ke)或者其他的(de)(de)微加(jia)工的(de)(de)技(ji)術就(jiu)是(shi)一(yi)個非常大的(de)(de)挑戰。因為每一(yi)個光(guang)刻(ke)機它都有一(yi)個自己適合(he)的(de)(de)尺寸(cun)范圍。
20年前(qian)，宋延林便投(tou)入(ru)這個(ge)領域，他一(yi)直(zhi)思考(kao)：有(you)什么(me)辦法能讓光在(zai)材料上精準體(ti)現(xian)？經過多(duo)年的(de)努力，團隊(dui)漸漸撥開迷霧。近(jin)年來(lai)，團隊(dui)與新(xin)加坡國立(li)大學合作，創制出一(yi)種(zhong)由(you)周期性納(na)米(mi)晶格構成(cheng)的(de)微(wei)米(mi)尺(chi)度半球(qiu)形結構，該結構對多(duo)尺(chi)度下的(de)光學傳(chuan)輸行(xing)為(wei)進行(xing)精準調控，突破(po)了(le)傳(chuan)統方法和理論的(de)限制。新(xin)加坡國立(li)大學博士(shi)陳劍鋒(feng)表示，這種(zhong)單(dan)元結構可(ke)以呈現(xian)多(duo)尺(chi)度光學特性和色(se)彩變(bian)幻行(xing)為(wei)，猶(you)如萬花筒般(ban)一(yi)轉千色(se)。
陳劍鋒：在(zai)光學領域，幾何(he)(he)光學理論和(he)波(bo)(bo)動理論的(de)(de)(de)界限(xian)在(zai)哪里，其實是很模(mo)糊的(de)(de)(de)。而我(wo)們(men)(men)現在(zai)這個(ge)(ge)工作正(zheng)好(hao)是同時利用(yong)了(le)(le)幾何(he)(he)光學的(de)(de)(de)光學理論的(de)(de)(de)性(xing)質(zhi)，再(zai)加上波(bo)(bo)動光學的(de)(de)(de)性(xing)質(zhi)，所以它正(zheng)好(hao)處在(zai)這兩(liang)個(ge)(ge)效(xiao)應(ying)很模(mo)糊的(de)(de)(de)一個(ge)(ge)點。我(wo)們(men)(men)通過模(mo)型的(de)(de)(de)構(gou)建，最后基本上摸(mo)清了(le)(le)這個(ge)(ge)界限(xian)。摸(mo)清了(le)(le)這個(ge)(ge)界限(xian)之后，我(wo)們(men)(men)可以從納米尺(chi)寸的(de)(de)(de)結(jie)構(gou)出發(fa)，能夠(gou)模(mo)擬(ni)微米甚至毫米這樣的(de)(de)(de)一個(ge)(ge)光學性(xing)質(zhi)。
△多尺度超材料設計架構及制備策略（中國科學院化學研究所 供圖）
結合理論，團隊開始驗(yan)證(zheng)其能否真正投入應用(yong)。宋(song)延林集(ji)結一(yi)群青年科研(yan)(yan)人員，當起了(le)光(guang)學超材料(liao)的“打印工”。這群“眼里有光(guang)”的年輕人面對前人做不成的挑戰，渾身(shen)充滿干勁。中(zhong)國科學院化學研(yan)(yan)究所副研(yan)(yan)究員李會增(zeng)就(jiu)是(shi)其中(zhong)一(yi)位。
李會增(zeng)：高精度(du)的微納加工方法(fa)，他們(men)可能有(you)這方面能力，但(dan)是他們(men)有(you)一個非常大的局限(xian)性，就(jiu)是做不大。所以后(hou)來，我們(men)都(dou)在探索這個如何(he)把(ba)它做大，做到真正實用化。
他的(de)師弟、中國科學院化學研究所博士李(li)凱旋，同(tong)樣腦力(li)活體力(li)活齊上陣，搬來各種大塊頭(tou)的(de)材(cai)料(liao)做打印襯底。最(zui)終，他們搭建了一個(ge)3.7米長的(de)卷對(dui)卷連續打印設備(bei)。
李凱(kai)旋(xuan)：我們(men)在盲(mang)文制備的(de)(de)(de)時候有一個(ge)就是(shi)工業(ye)化的(de)(de)(de)這種設備，但(dan)是(shi)盲(mang)文它(ta)尺度是(shi)比較大的(de)(de)(de)，我們(men)最大的(de)(de)(de)問題是(shi)怎么(me)就是(shi)從這種大的(de)(de)(de)尺度縮小到(dao)小尺度，還能夠做這么(me)大，這么(me)準(zhun)確精準(zhun)，這個(ge)是(shi)非(fei)常大的(de)(de)(de)一個(ge)挑(tiao)戰。
持續的(de)(de)技術調整后，打(da)印出的(de)(de)圖案逐漸從模糊到清(qing)晰，凌(ling)亂的(de)(de)墨(mo)滴幻化為(wei)精美的(de)(de)圖案。當(dang)看(kan)到光學超(chao)材料在設備上成卷(juan)成米打(da)印出預設的(de)(de)照片，宋延林為(wei)自己(ji)的(de)(de)團隊感到驕(jiao)傲。
宋延林：對搞科研的人可能(neng)最讓他興奮的就(jiu)是這(zhe)件事兒很難，然(ran)后我把它做出來，這(zhe)種成就(jiu)感其實也不(bu)用跟別(bie)人講，你就(jiu)知(zhi)道很有意義。
傳統打印所用顏料(liao)(liao)污染(ran)較重，而(er)宋延林團隊在(zai)打印光學超材料(liao)(liao)時使(shi)用了自己合成(cheng)的(de)水相分(fen)散的(de)高分(fen)子材料(liao)(liao)墨(mo)水，最后(hou)形成(cheng)調控光的(de)復合微米(mi)和(he)納米(mi)結構(gou)。
宋延林：我(wo)們是(shi)(shi)一(yi)種(zhong)高分子(zi)(zi)的(de)(de)乳液(ye)，通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)聚合的(de)(de)方式能夠形(xing)(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)水(shui)(shui)相的(de)(de)墨(mo)水(shui)(shui)。這(zhe)里(li)邊是(shi)(shi)把微(wei)米(mi)結(jie)構和(he)納米(mi)結(jie)構進(jin)行復合，微(wei)米(mi)結(jie)構就是(shi)(shi)我(wo)們形(xing)(xing)成(cheng)不(bu)同的(de)(de)穹(qiong)(qiong)頂(ding)，在這(zhe)個(ge)穹(qiong)(qiong)頂(ding)下面，我(wo)們又填了很多的(de)(de)納米(mi)顆粒，它不(bu)同的(de)(de)尺寸有不(bu)同的(de)(de)光學(xue)行為(wei)對(dui)應出(chu)來，最(zui)后(hou)組裝。水(shui)(shui)蒸發掉(diao)以后(hou)，就會精準地組裝成(cheng)光子(zi)(zi)晶(jing)體(ti)，這(zhe)樣就可以調控(kong)特(te)定(ding)頻率的(de)(de)光的(de)(de)一(yi)個(ge)傳輸，呈現出(chu)我(wo)們想要的(de)(de)各種(zhong)顏色。
△跨尺度光學集成打印（中國科學院化學研究所 供圖）
宋延林表示，團隊開(kai)發的卷到卷增材(cai)納米打印(yin)技術，可望讓光(guang)學超材(cai)料的生產變(bian)得像印(yin)報紙(zhi)、書刊(kan)一樣簡單高效(xiao)。
宋延林：不僅打破了原(yuan)來高成本的技術(shu)壁壘，大幅提升了量產效(xiao)率(lv)。還能(neng)通(tong)過按需打印為(wei)每(mei)一個超材(cai)料像素單(dan)元定(ding)制特定(ding)的光(guang)(guang)學(xue)性(xing)質，這(zhe)樣(yang)就為(wei)定(ding)制微納(na)光(guang)(guang)學(xue)研(yan)究(jiu)開(kai)辟了一個全(quan)新的思路(lu)。
未來，團隊將圍繞這(zhe)項技(ji)術研發(fa)新(xin)一代高靈敏光(guang)學傳感芯片，持續挖掘材料本征特性與(yu)人工結構設計(ji)協同優(you)化的(de)潛力。他們相(xiang)信，這(zhe)項技(ji)術在(zai)光(guang)子信息、防偽成像(xiang)、精密醫(yi)學傳感、綠(lv)色光(guang)子能源等關鍵領(ling)域，都將展現巨大(da)的(de)應用空間與(yu)產業化價值。
宋(song)延林：光學超材料(liao)的(de)特(te)征就(jiu)是把原來看不到的(de)東西讓我(wo)們(men)能(neng)夠(gou)看得見(jian)。我(wo)們(men)很(hen)多的(de)疾病(bing)都是跟一(yi)(yi)些生物(wu)標(biao)志物(wu)有(you)關的(de)，比如說病(bing)毒。病(bing)毒的(de)尺寸(cun)是在100納米左(zuo)右，原來我(wo)們(men)都是看不見(jian)的(de)。但是通過這樣一(yi)(yi)個打印的(de)超材料(liao)作(zuo)為(wei)一(yi)(yi)個芯(xin)片，我(wo)們(men)就(jiu)可(ke)以讓各種(zhong)病(bing)毒無處(chu)隱(yin)身，很(hen)方便(bian)地看到它，而且(qie)這個靈敏(min)度非(fei)常高(gao)又(you)非(fei)常方便(bian)，這樣就(jiu)對(dui)將來的(de)生物(wu)疾病(bing)的(de)檢測(ce)就(jiu)是一(yi)(yi)種(zhong)非(fei)常高(gao)效方便(bian)的(de)手(shou)段(duan)。