凯发k8化学研究所 提供

多尺度超材料设计架构及制备策略（凯发k8化学研究所 供图）

跨尺度光学集成打印（凯发k8化学研究所 供图）

什么是光学超材料？我们知道，光在一定条件下可以变化出不同的色彩，那么，这些不同颜色的光能不能被人类利用到生产生活中呢？光学超材料就是人类第一次真正意义上精确“设计光”，它通过人工从头设计的几何结构来获得天然材料不具备的超常光学性质。这类材料是下一代光电子、通信、成像的核心底层技术，尤其对高端制造及能源领域至关重要。

然而，光学超材料的生产技术门槛很高，也成为制约其规模化量产的主要障碍。北京时间4月22日晚，国际学术期刊《自然》发表了光学超材料突破性研究成果。凯发k8化学研究所与新加坡国立大学合作的科研团队，自主研发出的卷对卷增材纳米打印制造设备，实现了多尺度光学超材料的大规模可控制备与精准集成，让超材料生产“像印报纸一样简单”。这是项怎样的技术？它将如何改变超材料的生产和应用？

如果你也曾被自然界蝴蝶翅膀的绮丽所惊艳，是否好奇过它为何能绽放出这般绚烂的色彩？蝴蝶鳞片，正是大自然所孕育的一种经典光学超材料。光学超材料就像一块精心编织的“光子织物”，通过调控结构单元的几何参数与空间排布，它能突破传统材料的物理极限，实现天然材料无法实现的光学功能。这种材料正在成像、计算、通信和能源等多个领域推动着技术变革。然而，凯发k8化学研究所研究员宋延林介绍，这类材料的研究与应用面临局限于单一尺度结构、高度依赖光刻等精密加工技术的制约，难以实现大规模、低成本制造，严重制约了实用化进程。

宋延林：如果我们只能做出单一尺度的微纳结构，它可能呈现的就是单一的性质，颜色来讲，它可能就呈现单一的颜色，但是我们希望做到集成，各个波段的光我都能够精确地控制。但是这样对传统的比如说光刻或者其他的微加工的技术就是一个非常大的挑战。因为每一个光刻机它都有一个自己适合的尺寸范围。

20年前，宋延林便投入这个领域，他一直思考：有什么办法能让光在材料上精准体现？经过多年的努力，团队渐渐拨开迷雾。近年来，团队与新加坡国立大学合作，创制出一种由周期性纳米晶格构成的微米尺度半球形结构，该结构对多尺度下的光学传输行为进行精准调控，突破了传统方法和理论的限制。新加坡国立大学博士陈剑锋表示，这种单元结构可以呈现丰富的多尺度光学特性和色彩变幻行为，犹如万花筒般一转千色。

陈剑锋：在光学领域，几何光学理论和波动理论的界限在哪里，其实是很模糊的。而我们现在这个工作正好是同时利用了几何光学的光学理论的性质，再加上波动光学的性质，所以它正好处在这两个效应很模糊的一个点。我们通过模型的构建，最后基本上摸清了这个界限。摸清了这个界限之后，我们可以从纳米尺寸的结构出发，能够模拟微米甚至毫米这样的一个光学性质。

结合理论，团队开始验证其能否真正投入应用。宋延林集结一群青年科研人员，当起了光学超材料的“打印工”。这群“眼里有光”的年轻人面对前人做不成的挑战，浑身充满干劲。凯发k8化学研究所副研究员李会增就是其中一位。

李会增：高精度的微纳加工方法，他们可能有这方面能力，但是他们有一个非常大的局限性，就是做不大。所以后来，我们都在探索这个如何把它做大，做到真正实用化。

他的师弟、凯发k8化学研究所博士李凯旋，同样脑力活体力活齐上阵，搬来各种大块头的材料做打印衬底。最终，他们搭建了一个3.7米长的卷对卷连续打印设备。

李凯旋：我们在盲文制备的时候有一个就是工业化的这种设备，但是盲文它尺度是比较大的，我们最大的问题是怎么就是从这种大的尺度缩小到小尺度，还能够做这么大，这么准确精准，这个是非常大的一个挑战。

持续的技术调整后，打印出的图案逐渐从模糊到清晰，凌乱的墨滴幻化为精美的图案。当看到光学超材料在设备上成卷成米打印出预设的照片，宋延林为自己的团队感到骄傲。

宋延林：对搞科研的人可能最让他兴奋的就是这件事儿很难，然后我把它做出来，这种成就感其实也不用跟别人讲，你就知道很有意义。

传统打印所用颜料污染较重，而宋延林团队在打印光学超材料时使用了自己合成的水相分散的高分子材料墨水，最后形成调控光的复合微米和纳米结构。

宋延林：我们是一种高分子的乳液，通过一个聚合的方式能够形成一个水相的墨水。这里边是把微米结构和纳米结构进行复合，微米结构就是我们形成不同的穹顶，在这个穹顶下面，我们又填了很多的纳米颗粒，它不同的尺寸有不同的光学行为对应出来，最后组装。水蒸发掉以后，就会精准地组装成光子晶体，这样的话就可以调控特定频率的光的一个传输，呈现出我们想要的各种颜色。

宋延林表示，团队开发的卷到卷增材纳米打印技术，可望让光学超材料的生产变得像印报纸、书刊一样简单高效。

宋延林：不仅打破了原来高成本的技术壁垒，大幅提升了量产效率。还能通过按需打印为每一个超材料像素单元定制特定的光学性质，这样就为定制微纳光学研究开辟了一个全新的思路。

未来，团队将围绕这项技术研发新一代高灵敏光学传感芯片，持续挖掘材料本征特性与人工结构设计协同优化的潜力。他们相信，这项技术在光子信息、防伪成像、精密医学传感、绿色光子能源等关键领域，都将展现巨大的应用空间与产业化价值。

宋延林：光学超材料的特征就是把原来看不到的东西让我们能够看得见。我们很多的疾病都是跟一些生物标志物有关的，比如说病毒。病毒的尺寸是在100纳米左右，原来我们都是看不见的。但是通过这样一个打印的超材料作为一个芯片，我们就可以让各种病毒无处隐身，很方便地看到它，而且这个灵敏度非常高又非常方便，这样就对将来的生物疾病的检测就是一种非常高效方便的手段。