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。近日，kaiyun官网入口杨俊英副教授与复旦大学汪长春教授、李卫华教授、李华腾博士后，剑桥大学Oren A. Scherman教授，光驭科技有限公司田丰博士等联合研究单体介导胶体粒子快速组装新策略，突破光子晶体“组装速率-光学性能-力学性能”三角权衡瓶颈，实现4000米级结构色薄膜工业化量产。相关研究成果以题为“Monomer-biased manufacture of industrial-scale colloidal photonic films”发表在国际顶级综合性学术期刊《Science》上。杨俊英副教授作为排名第二作者，负责该工作中自组装过程与微观机制的研究，温州大学作为本项研究的第二完成单位。

“单体介导”胶体组装策略，核心在于向核壳结构的微球体系中引入低分子量的功能性单体作为介质，这些单体能够有效降低体系初始自由能并削减组装能垒，从而在室温、无模板条件下，于数秒内通过剪切诱导实现胶体颗粒从无序到高度有序的快速转变。后续通过原位紫外光固化，将这些有序结构锁定在坚固的聚合物基体中，最终制得了兼具高光学质量和优异力学性能的大规模胶体光子晶体薄膜。团队通过分子动力学模拟和大量流变学测试，完整厘清了这套“单体介导”组装的微观底层机制：当胶体微球壳层内部氢键作用过强的时候，聚合物链的运动能力会被严重限制，整个体系呈现出不利于组装的弹性固态特征，微球几乎没法移动重排；而加入适量的介导单体之后，单体分子会通过溶剂效应和氢键作用插入到壳层聚合物链之间，直接削弱原本过强的链间相互作用，大幅提升聚合物链段的运动能力，最终让整个体系的损耗因子tanδ接近1，进入一种同时兼具流动性和弹性的特征粘弹态。这种特殊状态就是实现快速剪切诱导有序排列的黄金窗口：体系的流动性保障了剪切施加的动量可以有效传递到每一个胶体微球上，而弹性则保障了剪切外力移除之后，体系可以自发发生动态重构，驱动所有微球快速自发排列成密堆积的有序结构。后续的反射光谱和扫描电镜表征直接证实，只有处在这种特征粘弹态的体系，才能得到具有尖锐反射峰、微球排列高度规整的光子晶体结构，从分子层面把整个工艺的调控逻辑彻底摸透，为后续的工业化放大扫清了所有底层理论障碍。

总结而言，“单体介导”胶体组装策略，通过精确调控胶体体系的粘弹性力学状态，巧妙地绕过了传统自组装中的高能垒障碍，首次实现了在环境条件下、数秒内完成胶体光子晶体薄膜的快速有序化构建。该工作不仅解决了光子晶体从实验室走向工厂的关键技术瓶颈，成功制备了米级幅宽、千米级长度的优质薄膜，更开拓了其在光伏增效、智能传感和软物质工程等前沿领域的广阔应用前景。这一方法有望为未来各向异性或更复杂结构单元的大规模、精准有序组装提供全新思路和坚实的工业基础。

Science编辑评论：有序胶体结构的自组装使得构筑光子结构色材料成为可能，但大规模制备仍面临巨大挑战。团队报道了一种创新的单体介导策略，可实现胶体光子晶体薄膜的快速、工业化规模制备。引入低分子量功能性单体可改变体系的自由能景观和组装路径，从而在环境条件和无模板条件下，使胶体颗粒在剪切作用下快速有序化。作者展示了胶体聚集体在环境条件下、无需模板、10秒内即可转变为长达4000米的光子晶体薄膜的无序-有序转变过程。—— Marc S. Lavine

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed8723

一审：叶戴茜；二审：陈亮；三审：潘莉莉